Elaboration of reduced kinetic models of combustion - Application to a kerosene mechanism
Obtention de modèles cinétiques réduits de combustion - Application à un mécanisme du kérosène
Résumé
Chemistry modelling of complex hydrocarbon mixtures (alkanes, aromatics and naphtenics) in a combustion process reconstituting industrial fuels requires hundreds species and thousands reactions. The associated system of differential equations is often too large and too stiff to be incorporated in industrial CFD (computational fluid dynamic) codes. So, a mechanism reduction must be considered. The main purpose of this work is to reduce, without damaging the initial predictive quality, a large detailed mechanism for kerosene (225 species among 3493 irreversible reactions) in perfectly stirred reactor (PSR) on a extended parametric condition range (pressure, equivalence ratio and reactor inlet temperature). The used method proceeds in a 3 steps: firstly the initial model is simplified by an elimination of useless species (with atomic flux analysis) then insignificant reactions are removed (with principal component analysis on rate matrix). Finally, the obtained skeletal mechanism is reduced by application of the quasi steady-state approximation for some species. Concentrations of those species are expressed according to the differential ones with an algebraic system. Inner-iteration technique, supplemented by a convergence accelerator, solves those algebraic expressions with a significant computational time saving. Each step of the reduction process has been automated in order to simplify and speed their use up. This methodology allows a detailed analysis of the significant pathways in the 3 reactant consumption as well as the sensitivity evaluation of implied reactions. Moreover, this reduction process leads, without particular kinetic knowledge, to the development of reduced schemes with computational time saving from a factor 15 (overall) to 50 (locally). More than 65% of species molar fractions are accurately reproduced with a relative deviation lower than 10% compared to the detailed model.
La modélisation de la chimie de combustion de mélanges d'hydrocarbures (alcanes, aromatiques et naphténiques), représentatifs de combustibles industriels nécessite l'utilisation de schémas cinétiques détaillés complexes. La raideur du système différentiel associé rend impossible tout couplage avec des codes industriels en raison de son coût de calcul prohibitif. Une solution possible consiste à diminuer la taille de ces mécanismes. La présente étude se propose donc de réduire, sans dégrader son caractère prédictif initial, un mécanisme détaillé du kérosène (225 espèces et 3493 réactions irréversibles) dans les conditions du réacteur parfaitement agité (PSR) sur un vaste domaine de pression, richesse et température. La méthode utilisée se déroule en trois étapes. Les deux premières consistent à simplifier le modèle initial par élimination des espèces (méthode des flux atomiques) puis des réactions (analyse des composantes principales de la matrice des vitesses) inutiles à la description du processus de combustion. Le mécanisme squelettique obtenu est ensuite réduit par la mise en état stationnaire de certaines espèces dont les concentrations peuvent être explicitées en fonction des espèces différentielles au sein d'un système algébro-différentiel. La technique d'itérations internes, utilisée pour la résolution des expressions algébriques, est couplée à un accélérateur de convergence afin de réduire significativement le temps de calcul nécessaire aux simulations. Les programmes utilisés, au cours de cette procédure de réduction, ont été automatisés afin d'en rendre l'utilisation simple et rapide. Cette méthodologie a rendu possible l'analyse détaillée des voies réactionnelles de consommation des 3 réactifs initiaux ainsi que l'évaluation de la sensibilité des réactions impliquées. On peut ainsi, sans connaissances cinétiques particulières, élaborer des schémas réduits présentant une diminution d'un facteur 15 (globalement) à 50 (localement) du temps de calcul. Plus de 65% des profils de fractions molaires des espèces sont correctement reproduits avec une déviation relative par rapport au modèle initiale inférieure à 10%.
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