燃烧化学反应的骨架机理构建方法及其装置与流程

本发明涉及燃烧模拟技术领域，特别涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建方法及其装置。

背景技术：

在当前环境污染问题日益严重、排放法规日益严苛的背景下，高效清洁燃烧技术是世界各国应对能源和环境问题的必由之路。在燃烧技术中，模拟技术随着计算机技术的发展逐渐成为与实验技术同等重要的研究手段。相对于实验技术，模拟技术不但可以降低研究成本，并且可以深入探索燃烧过程中的流动、组分和化学反应等微观现象。其中，燃烧化学模拟技术的发展为人们认识及改善燃烧过程提供了有力的依据。

在燃烧化学模拟技术中，详细燃烧反应机理能够更加真实地模拟燃料燃烧的化学反应过程，但由于其对计算资源的巨大需求，并不适用于工程应用，如发动机等实际燃烧系统的开发过程。因此，有必要构建燃烧化学反应的骨架机理或简化机理以满足实际工程开发对模拟技术的需求，如发动机三维燃烧模拟分析技术等。

在现有的燃烧化学反应机理的骨架构建技术中存在如下问题，或构建的机理依然较大而不能直接应用于工程开发，或构建的机理与详细机理控制反应活性的主要反应不符。在专利cn201410691334中，采用元素流量分析结合误差传播的方法建立了一种骨架机理简化方法，在其实例中获得了丁酸甲酯骨架机理，但其含有600多步基元反应，机理依然较大而不能直接应用于工程开发。郭俊江等人(“正庚烷低温燃烧机理构建”，工程热物理学报，2014，35(11),2298)采用物质产率分析和反应路径流量分析方法简化得到的正庚烷低温骨架机理，一方面体积依然较大，含有700多步反应，另一方面，其控制反应活性的主要反应也与详细反应机理存在差异。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃烧化学反应的骨架机理构建方法及其装置，可生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种燃烧化学反应的骨架机理的构建方法，该方法包括：

获取参加所述燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于所述有效燃料成分确定所述燃烧化学反应的详细反应机理；

根据所述详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应；

生成预定骨架机理，其中，所述预定骨架机理包括所述多个敏感反应和与各所述敏感反应对应的反应系数；

判断所述预定骨架机理是否符合预定条件；

如果所述判断的结果为符合预定条件，则将所述预定骨架机理确定为所述燃烧化学反应的骨架机理，如果判断的结果为不符合预定条件，则对所述预定骨架机理进行修正直到修正后的预定骨架机理符合所述预定条件。

在一示范例中，根据所述详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应包括：

根据所述各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数；

选取敏感系数大于预定阈值的基元反应作为所述敏感反应。

在另一示范例中，根据所述详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应包括：

根据所述各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数；

选取敏感系数大于预定阈值的有大分子参与的大分子基元反应作为所述敏感反应，其中，所述大分子为分子式中碳原子数量大于1的分子。

在另一示范例中，对所述预定骨架机理进行修正包括：

对各所述敏感反应的反应系数进行修正，并且在修正后所述反应系数对应的基元反应的敏感系数的正负不发生变化。

在另一示范例中，对所述预定骨架机理进行修正包括：

将小分子参与的小分子基元反应加入所述多个敏感反应中；

判断加入小分子基元反应后形成预定骨架机理是否符合预定条件；

如果判断的结果为符合预定条件，则将该预定骨架机理作为所述燃烧化学反应的骨架机理；

如果判断的结果为不符合预定条件，则对各所述敏感反应的反应系数进行修正；

其中，所述小分子为分子式中碳原子数量小于等于1的分子。

在另一示范例中，生成预定骨架机理包括：

对于所述多个敏感反应中的大分子基元反应，基于所述大分子的异构体参与所述大分子基元反应时的敏感系数和反应系数，确定所述大分子基元反应的反应系数。

在另一示范例中，所述预定条件为：

所述燃烧化学反应基于所述预定骨架机理的模拟结果与真实的燃烧化学反应的真实结果之间的差值在预定误差范围之内，其中，真实结果通过对所述燃烧特性的测量获得；或者，

所述燃烧化学反应基于所述预定骨架机理的模拟结果与所述燃烧化学反应基于所述详细反应机理的模拟结果之间的差值在预定误差范围之内。

在另一示范例中，所述燃烧特性包括着火延迟时间、燃烧产物和火焰传播速度中的至少一个。

本发明的实施方式还公开了一种燃烧化学反应的骨架机理的构建装置，该装置包括：

获取单元，用于获取参加所述燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于所述有效燃料成分确定所述燃烧化学反应的详细反应机理；

选择单元，用于根据所述详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应；

生成单元，用于生成预定骨架机理，其中，所述预定骨架机理包括所述多个敏感反应和与各所述敏感反应对应的反应系数；

判断单元，用于判断所述预定骨架机理是否符合预定条件；

确定单元，用于所述判断单元的判断结果为符合预定条件时，将所述预定骨架机理确定为所述燃烧化学反应的骨架机理；

修正单元，用于所述判断单元的判断结果为不符合预定条件时，对所述预定骨架机理进行修正直到修正后的预定骨架机理符合所述预定条件。

本发明的实施方式还公开了一种设备，该设备包括存储有计算机可执行指令的存储器和处理器，所述处理器被配置为执行所述指令以实施上述实施方式公开的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。

本发明的实施方式还公开了一种使用计算机程序编码的非易失性计算机存储介质，其中，所述计算机程序包括指令，当所述指令被一个以上的计算机执行时，所述指令使得所述一个以上的计算机执行上述实施方式公开的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

能够生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图；

图2是根据本发明第二实施方式的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图；

图3是根据本发明第三实施方式的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图；

图4是根据本发明第四实施方式的燃烧化学反应的骨架机理的构建装置的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。图1是该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图。

具体地，如图1所示，该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法包括：

1)步骤101，获取参加燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于有效燃料成分确定燃烧化学反应的详细反应机理。

在该步骤中，可以通过以下方式确定有效燃料成分：

如果模拟对象所包含的燃料组分单一，或包含有限个浓度已知的燃料组分时，则可直接采用燃料组分作为骨架机理的有效燃料成分；如果模拟对象的燃料成分比较复杂，如生活中实际使用的柴油、汽油等，则可根据相关文献或相关经验选取具有代表性的一个或有限个分子结构相近的组分作为有效燃料成分。

2)步骤102，根据详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应。

可以理解，燃烧特性主要为着火延迟时间、主要燃烧产物、火焰传播速度等可表征反活性及产物特性的相关特性，但不局限于上述列举特性。另外，燃烧特性的选择可根据应用目的进行取舍，有选择地进行敏感性分析。如预定条件着重于某一产物的生成特性，则以对该燃烧产物的敏感性分析为主，其他特性可有选择地进行取舍。

具体地，该步骤可以通过确定各基元反应的敏感系数来从中选择出多个敏感反应。例如，通过基元反应对整个燃烧化学反应的燃烧特性的影响来确定该基元反应的敏感系数，其中，影响越大，敏感系数的绝对值越大。燃烧特性可以包括着火延迟时间、燃烧产物和火焰传播速度中的至少一个，也可以包括其他特性，在此不做限制。以燃烧特性为火焰传播速度为例，当基元反应的加入能够提高火焰传播速度时，该基元反应的敏感系数为正，且对火焰传播速度的提高程度越大，敏感系数越大，反之，当基元反应的加入减缓了火焰传播速度时，该基元反应的敏感系数为负，且对火焰传播速度的减缓程度越大，敏感系数的绝对值越大。

在选择时，可以敏感系数大于预定阈值的基元反应作为敏感反应(可以同时包含大分子和小分子基元反应)，也可以选择敏感系数大于预定阈值的有大分子参与的大分子基元反应作为敏感反应。在本发明中，优选地，将分子式中碳原子数量大于1的分子作为大分子，碳原子数量小于等于1的分子作为小分子。当然，可以理解，也可以以其他的标准划分，在此不做限制。

3)步骤103，生成预定骨架机理，其中，预定骨架机理包括多个敏感反应和与各敏感反应对应的反应系数。其中，反应系数为阿累尼乌斯方程中的常数，表征一定温度下的化学反应速率。

为了考虑大分子的异构体对反应的影响，在一示范例中，可以基于大分子基元反应中大分子的异构体的敏感系数，确定该大分子基元反应的反应系数。例如，某大分子a具有异构体b和c，a、b和c参加基元反应时对燃烧化学反应的影响产生的敏感系数分别为x、y和z，则该大分子基元反应的反应系数为：xa+yb+zc，其中，公式中保持a、b和c的正负号。

当然，在本发明的各实施方式中，也可以不考虑异构体的影响，在此不做限制。

此外，在选择出的敏感反应不满足反应平衡时，可以基于上述详细反应机理添加一些补充反应，如添加一些必要的反应物生成反应或者产物的分解反应。

4)步骤104，判断预定骨架机理是否符合预定条件。

预定条件为可以是燃烧化学反应基于预定骨架机理的模拟结果与真实的燃烧化学反应的真实结果之间的差值在预定误差范围之内。也可以是燃烧化学反应基于预定骨架机理的模拟结果与燃烧化学反应基于详细反应机理的模拟结果之间的差值在预定误差范围之内；其中，其中，真实结果通过对燃烧特性的测量获得。

如果判断结果为是，则进行步骤105；否则，进行步骤106。

5)步骤105，将预定骨架机理确定为燃烧化学反应的骨架机理。

6)步骤106，对预定骨架机理进行修正直到修正后的预定骨架机理符合预定条件。

具体的修正方法可以基于实际条件进行设置。例如，通过修正反应系数来修正预定骨架机理，也可以通过对敏感反应的选择来修正预定骨架机理，下文将会进行详细的描述。

能够生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

本发明第二实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。图2是该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图。

具体地，如图2所示，该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法包括：

1)步骤201，获取参加燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于有效燃料成分确定燃烧化学反应的详细反应机理。

2)步骤202，根据详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数，将敏感系数大于预定阈值的基元反应选择为敏感反应。其中，可以包括敏感系数大于预定阈值的大分子基元反应，也可以包括敏感系数大于预定阈值的小分子基元反应。

3)步骤203，生成预定骨架机理，其中，预定骨架机理包括多个敏感反应和与各敏感反应对应的反应系数。其中，反应系数为阿累尼乌斯方程中的常数，表征一定温度下的化学反应速率。

4)步骤204，判断预定骨架机理是否符合预定条件。

如果判断结果为是，则进行步骤205；否则进行步骤206。

5)步骤205，将预定骨架机理确定为燃烧化学反应的骨架机理。

6)步骤206，对预定骨架机理中各敏感反应的反应系数进行修正。

然后返回步骤204进行判断，如果不符合预定条件，则继续对反应系数进行修正，直到修正后的预定骨架机理符合预定条件。在对反应系数进行修正时，需要确保修正后反应系数对应的基元反应的敏感系数的正负不发生变化。即在修正前后，该基元反应的敏感系数的正负不发生变化。

在一示范例中，对于修正的阿累尼乌斯公式k＝atⁿexp(-ea/rt)(其中，r为通用气体常数，不可改变)中各反应系数的修正，可以以以下方式进行：

首先对前因子a(阿累尼乌斯常数)进行修正，若修正后的预定骨架机理满足预定条件，则修正中止。若修正后的预定骨架机理不满足预定条件，则同时对前因子a及指数常数n进行约束修正，若修正后的预定骨架机理满足预定条件，则修正终止。若修正后的预定骨架机理仍不满足预定条件，则同时对前因子a、指数常数n及活化能ea进行约束修正，修正过程中活化能的可变范围限定在一定的误差阈值范围内，若修正后的预定骨架机理满足预定条件，则修正中止。约束修正的修正算法包括已有的所有算法，但不限于一种修正算法，也不限于一次修正过程。另外，修正过程也可根据经验进行手动修正，或结合自动修正进行手动修正。

能够生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

该实施方式是第一实施方式的一种实现方式，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第三实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。图3是该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法的流程示意图。

具体地，如图3所示，该燃烧化学反应的骨架机理的构建方法包括：

1)步骤301，获取参加燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于有效燃料成分确定燃烧化学反应的详细反应机理。

2)步骤302，根据详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数，将敏感系数大于预定阈值的大分子基元反应选择为敏感反应。

3)步骤303，生成预定骨架机理，其中，预定骨架机理包括多个敏感反应和与各敏感反应对应的反应系数。其中，反应系数为阿累尼乌斯方程中的常数，表征一定温度下的化学反应速率。

4)步骤304，判断预定骨架机理是否符合预定条件。

如果判断结果为是，则进行步骤305；否则进行步骤306。

5)步骤305，将预定骨架机理确定为燃烧化学反应的骨架机理。

6)步骤306，将基元反应中小分子参与的小分子基元反应加入多个敏感反应中形成预定骨架机理。

然后进入步骤307进行判断。

7)步骤307，判断修正后的预定骨架机理是否满足预定条件。

如果判断结果为符合预定条件，则进入步骤305；否则，进入步骤308。

8)步骤308，对预定骨架机理中各敏感反应的反应系数进行修正。

然后返回步骤307进行判断，如果判断结果为符合预定条件，则进入步骤305，否则对反应系数继续进行修正，直到修正后的预定骨架机理符合预定条件。在对反应系数进行修正时，需要确保修正后反应系数对应的基元反应的敏感系数的正负不发生变化。即在修正前后，该基元反应的敏感系数的正负不发生变化。具体修正方式可以参考第二实施方式。

此外，在本发明的其他实施方式中，也可以将敏感系数大于预定阈值的小分子基元反应作为敏感反应，而不是将所有的小分子基元反应作为敏感反应。

能够生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

该实施方式是第一实施方式的一种实现方式，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明的各方法实施方式可以全部由计算机软件、硬件、固件等方式实现，也可以部分由计算机软件等方式实现，部分由人工操作。在完全以软件、硬件、固件方式实现时，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(programmablearraylogic，简称“pal”)、随机存取存储器(randomaccessmemory，简称“ram”)、可编程只读存储器(programmablereadonlymemory，简称“prom”)、只读存储器(read-onlymemory，简称“rom”)、电可擦除可编程只读存储器(electricallyerasableprogrammablerom，简称“eeprom”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(digitalversatiledisc，简称“dvd”)等等。

本发明第四实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建装置。图4是该燃烧化学反应的骨架机理的构建装置的结构示意图。

具体地，如图4所示，该装置包括：

获取单元，用于获取参加燃烧化学反应的有效燃料成分，并基于有效燃料成分确定燃烧化学反应的详细反应机理；

选择单元，用于根据详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，从各基元反应中选择出多个敏感反应；

生成单元，用于生成预定骨架机理，其中，预定骨架机理包括多个敏感反应和与各敏感反应对应的反应系数；

判断单元，用于判断预定骨架机理是否符合预定条件；

确定单元，用于判断单元的判断结果为符合预定条件时，将预定骨架机理确定为燃烧化学反应的骨架机理；

修正单元，用于判断单元的判断结果为不符合预定条件时，对预定骨架机理进行修正直到修正后的预定骨架机理符合预定条件。

能够生成适用于工程应用的小体积的燃烧化学反应的骨架机理，并同时保证控制反应活性的主要反应与详细反应机理一致。

第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第五实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建装置。该实施方式是第四实施方式的一种具体实现方式，与第四实施方式具体不同的地方在于：

选择单元通过以下方式实现：

根据各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数；选取敏感系数大于预定阈值的基元反应作为敏感反应。其中，可以包括敏感系数大于预定阈值的大分子基元反应，也可以包括敏感系数大于预定阈值的小分子基元反应。

并且，修正单元通过以下方式实现：

对预定骨架机理中各敏感反应的反应系数进行修正，然后由判断单元进行判断，直到修正后的预定骨架机理符合预定条件。在对反应系数进行修正时，需要确保修正后反应系数对应的基元反应的敏感系数的正负不发生变化。即在修正前后，该基元反应的敏感系数的正负不发生变化。

第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本发明第六实施方式涉及一种燃烧化学反应的骨架机理的构建装置。该实施方式是第四实施方式的一种具体实现方式，与第四实施方式具体不同的地方在于：

选择单元通过以下方式实现：

根据详细反应机理中各基元反应对燃烧特性的影响，确定各基元反应的敏感系数，将敏感系数大于预定阈值的大分子基元反应选择为敏感反应。

并且，修正单元包括：

第一修正子单元，用于将基元反应中小分子参与的小分子基元反应加入多个敏感反应中形成预定骨架机理；

第二修正子单元，用于在第一修正子单元的修正结构不符合预定条件时，对预定骨架机理中各敏感反应的反应系数进行修正。在对反应系数进行修正时，需要确保修正后反应系数对应的基元反应的敏感系数的正负不发生变化。即在修正前后，该基元反应的敏感系数的正负不发生变化。

第三实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。

本发明的第七实施方式还公开了一种设备，其中，该设备包括存储有计算机可执行指令的存储器和处理器，处理器被配置为执行指令以实施上述第一至第三实施方式中的任一个公开的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。

本发明的第八实施方式还公开了一种使用计算机程序编码的非易失性计算机存储介质，其中，计算机程序包括指令，当指令被一个以上的计算机执行时，指令使得一个以上的计算机执行上述第一至第三实施方式中的任一个公开的燃烧化学反应的骨架机理的构建方法。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。