C3Mech：燃烧CFD的单一来源解决方案

计算化学联盟（C3）是Convergent Science的所有者Kelly Senecal、Dan Lee、Eric Pomraning和Keith Richards的创意结晶，其目标是创建全面且详细的机理，作为燃料燃烧化学的全面解决方案。创建这个机理库也有助于我们调查和开发替代燃料，以创造更可持续的技术。爱尔兰国立大学的Henry Curran教授从技术方面领导联盟，与包括爱尔兰国立大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、阿贡国家实验室、米兰理工大学和亚琛工业大学在内的各个专业领域的研究小组通力合作并互相补充。

图1 C3 LOGO

2018年夏天标志着燃烧化学的一个里程碑——C3正式启动。在来自不同行业合作伙伴的方向指导下，C3开发了诸如包括PAH和NOx等污染物在内的化学机理，创建了生成替代燃料和多燃料机理的工具，并改进了简化和合并工具。C3采用自上而下的方法运作，提供一个大型机理，用户可以从中提取其燃料的具体机理。这种方法允许C3的技术团队作为一个整体来验证机理，而不是组合许多小的、独立验证的机理。2021年12月，C3发布了他们机理的第一个版本，可供广大燃烧仿真群体使用。同时，该机理也集成到我们的软件中，允许用户将C3的灵活性与CONVERGE的强大功能结合起来。

图2 C3机理植入CONVERGE软件便于访问

要使用CONVERGE生成您的燃料化学机理，首先应确定您替代燃料中所有的独立组分。CONVERGE提供了一个替代燃料混合器工具，您可以在其中指定燃料属性，如粘度、H/C比率、辛烷值、蒸馏数据和点火延迟。然后，混合器工具将使用混合规则来匹配指定的燃料属性，并提出一个燃料替代物。或者，有经验的用户可以根据测试燃料规格表中列出的信息手工挑选某些燃料组分。

图3 替代燃料混合器工具，可选择燃料组分

在确定了燃料替代物后，您可以使用CONVERGE Studio中专门设计的提取工具从C3父机理中提取燃料化学属性。

图4 C3机理对话框，提取燃料物种的化学属性

在大多数涉及传统烃燃料的情况下，您提取的机理将有数百到数千个组分，这对于3D CFD模拟来说太多了。为了确保计算效率同时保持解决方案的 准确性，您应该使用CONVERGE的机理简化过程将您的机理简化到合适的大小。

图5  CONVERGE Studio提供的机理简化工具

在CONVERGE中这个过程的关键是自燃、熄火、组分形成和/或层流火焰速度模拟的分析。因此，在开始简化过程之前，必须考虑您的发动机/燃烧器模拟是在怎样特定的工作条件下被评估的。这些工况条件包括压力、未燃温度、当量比和EGR率。例如，如果机理旨在用于柴油发动机模拟，必须选择从喷射开始到气缸压力峰值的压力范围。

为了减少组分数量，将构建一个有向关系图（DRG），并且可以添加误差传播（DRGEP）来获得更高的精度。DRGEP方法可以在用户指定的点火延迟、熄火、组分形成和/或层流火焰速度的误差范围内移除组分和相应的反应。一旦组分数量约为500，灵敏度分析（SA）可以添加到现有的DRGEP方法中，以进一步减少物种。最优的简化机理计算结果落在用户指定范围内并且组分数量也会减少，更适用于三维燃烧模拟。

当您获得最优简化机理后，可以调整最敏感反应的反应速率，让这个机理的特定目标与父机理相匹配。与简化过程类似，这些目标是组分形成、熄火、层流火焰速度和/或点火延迟。您可以使用CONVERGE的机理调整工具来调整您的机理，如NLOPT，一个用于非线性局部和全局优化的开源库；蒙特卡洛方法，使用随机化来解决原则上可能是确定性的问题；或者CONGO，CONVERGE的内部遗传算法优化工具。这些方法专注于Arrhenius反应方程中的前指数因子A或活化能。

完成这些步骤后，您简化的化学机理就准备好在三维CFD模拟中计算。C3的灵活性、多功能性和独创性简化了在涉及燃烧的各种应用中模拟传统和替代燃料的过程。有了C3，你手动翻阅文献寻找特定机理的日子已经结束了。欢迎来到一个轻松的新时代！