BlueBellMouse. A Tool for Kinetic Model Development

Abstract: Popular Abstract in Swedish För att kunna simulera de fysikaliska fenomen som pågår i förbränning, krävs även en beskrivning av den kinetik som ingår i förbränningsprocessen. För detta ändamål utvecklas kinetiska modeller. En kinetisk modell är en lista med kemiska reaktioner och reaktionshastighetsparametrar. Modellernas tillämpningsområde begränsas av de valideringsfall och de fysikaliska parametrar, som beaktades då modellen sammanställdes. Ofta erfordras en ny optimering av modellen om den används under andra betingelser. Optimering av kinetiska modeller har tidigare automatiserats, till exempel då en referensmekanism för naturgas, GRI-mech, utvecklades. Med optimering justeras reaktionshastighetsparametrarna i stringent matematisk mening genom att använda experimentella data som bivillkor. Detta tillvägagångssätt, som hitintills har använts för att sammanställa allmänna detaljerade kinetiska modeller, är tillämpbart även vid utveckling av kemiska mekanismer för specifika ändamål, till exempel för användning i motorsimuleringar. Homogena kompressionsantändningsmotorer, s.k. HCCI-motorer, har under de senaste åren uppmärksammats av forskare verksamma på universiteten och inom industrin, för deras höga termiska verkningsgrad och låga kväveoxid- och partikelemissioner. Svårigheterna att reglera HCCI-motorn, och de höga kolväte- och kolmonoxidutsläppen, är stora problem, som fortfarande återstår att lösa för att dessa motorer skall kunna användas kommersiellt. Nästa steg i HCCI-forskningen är att föra över den ackumulerade kunskapsmängden till industriella tillämpingar. Forslening inom styr och reglerområdet pågår emellertid fortforande. Behovet av att ändra bränslekarakteristika erfordrar att kontinuerligt uppdaterade kinetiska modeller optimerade för motortillämpningar är tillgängliga. I industriella tillämpningar är även beräkningstiden en viktig aspekt. En nyckelfaktor för beräkningstiden är den kinetiska modellens storlek. En rimlig storlek på den kinetiska modellen kan uppnås genom att starkt reducera den detaljerade mekanismen. Med optimeringsteknik är det möjligt att överreducera den ursprungliga mekanismen och därefter återoptimera koefficitenterna a posteriori för att återigen erhålla noggrannhet. Genom att automatisera och förenkla handhavandet av de verktyg som krävs för simulering, reducering och optimering, kan forskning inom detta område göras mera tillgängligt för forskare verksamma utanför den akademiska världen. I föreliggande arbete har ett mjukvarupaket, BlueBellMouse, utvecklats för denna tillämpning. Två studier har utförts med detta mjukvarupaket. I den första studien optimerades en referensmodell för naturgas, utvecklad av Warnatz et al. för ett antal HCCI-motorexperiment. Modellen reducerades därefter genom att eliminera redundanta kemiska komponenter och reaktioner tills endast de viktigaste återstod, vilket ledde till hög diskrepans mellan simuleringar och experiment. Slutligen återoptimerades den s.k. skelettmekanismen, och god överensstämmelse mellan simuleringar och experiment uppnåddes. Den andra studien omfattade optimering av en n-heptan/iso-oktan referensmekansim för bensin mot ett antal shock tube-experiment.