CHEMKIN-北京中润汉泰科技有限公司
010-51280068
010-51280068
CHEMKIN
CHEMKIN 燃烧反应
概述 应用
概述

一种通过采用详细基元反应来模拟气相反应和表面反应的化学反应动力学软件包。CHEMKIN软件1980由美国Sandia 国立实验室研究小组在当时能源危机的环境下开发的。

CHEMKIN燃烧反应工具包括详细的燃油模型以及具有深度和广度的仿真软件,能够提供高精确度的最佳实践方法。这些工具能帮助您以经济高效的方式实现性能和燃油效率目标,而不会影响求解时间。您的化学分析时间可减少几个数量级,从而在本质上消除仿真过程中化学合成产生的瓶颈。更短的求解时间意味着您可以将更多精力用于探索设计替代方案、进行实验、了解出现问题的环节和原因以及解释观察结果,而这些都无需以降低精确度为代价。

Chemkin-Pro :全球反应过程求解标准工具

Chemkin-Pro 是对复杂气相和表面化学反应进行建模和仿真的黄金标准,这些反应用于对汽车、卡车、喷气式引擎、锅炉、化学和材料加工设备和精炼应用中的燃烧系统进行概念开发。Chemkin-Pro 具有一系列精度高、快速且稳健的动力学模型,是概念设计阶段用来进行“假设”分析最为可靠的动力仿真工具。工程师可借助精确的大型燃油模型,探索设计变量对性能、污染物排放和火焰熄灭的影响,从而得到想要的结果,帮助做出关键的产品开发决策。

Forte :全新一代内燃机燃烧模拟工具

Forte 可以准确地对使用几乎任何燃油的内燃机的燃烧性能进行仿真,帮助工程师快速设计出燃烧更清洁、高效的灵活燃油引擎。Forte 稳健准确的燃烧建模能力与自动化网格生成相结合,让您可以快速分析设计,免去网格生成之忧。

MODEL FUELS LIB 模型燃料库:全球最完整、最精确的燃料机理数据库

模型燃料库 (MFL) 包括经验证的超过 65 个燃料组分的详细反应机制,这些机制与众多行业和商业应用中的燃烧仿真都密切相关。燃料组分可用于代表气体或液体石油衍生燃料或替代燃料的燃烧。气体燃料包括天然气、合成气、生物燃料和混合气体。在液体燃料方面,可组合使用燃料组分模拟生活中的多种燃料,包括汽油、柴油、航空燃油、代用燃料、混合燃油和添加剂等。

Energico: 燃机燃烧与工业炉燃烧模拟的革命性软件

它可以模拟常规的汽油、柴油、煤油和生物燃料等的燃烧。传统的发动机设计者在模拟燃烧时,仅仅使用单一组分燃料的燃油机理,但是,要想得到精确地预测结果就必须通过复杂的燃油模型。现在,先进的燃烧工具FORTETM和ENERGICOTM可以利用更复杂和精确的MFL模型,并保持了极快的求解速度。

 CHEMKIN-CFD:3D CFD的最佳反应求解搭档

CHEMKIN-CFD的强大化学反应模块使其能在汽车,能源,化学和化工,微电子,材料制备,环境保护以及钢铁等行业被广泛应用。 

Reaction WorkBench:真实燃料模拟、全自动机理简化的强大工具

Reaction WorkBench采用直接关系图方法(DRG)、基础组分分析法(PCA)、计算奇异摄动法(CSP)三种方法进行机理简化。用户对简化过程进行完全控制,既可以在框架机理中任意保有任何组分,也可以使用参数化研究方法,评价机理简化效果。

 

应用

航空

发动机是飞机、导弹等飞行器的核心动力装置,其中燃料的燃烧情况决定了它们的机动性和飞行能力。随着航天技术的不断发展,国内外的科学家和工程师越来越关注燃料燃烧对发动机工作过程的影响。

Reaction Design开发的CHEMKIN系列软件可通过数值模拟的方法系统地研究燃烧室结构、燃料成分对燃烧过程的影响,探索提高燃烧效率、燃烧稳定性的途径,为提升发动机的动力性、经济性和可靠性提供理论依据和指导。

主要研究问题:

?  航空发动机燃烧室煤油燃烧过程研究

?  ENERGICO燃气轮机燃烧模拟

典型算例:

?  燃气轮机燃烧模拟

  ?甲烷,空气混合物的燃烧

    ?  99个反应物,693个反应

  ?  核心探讨

    ?  分析出口COx,UHC与NOx的浓度分布

    ?  应用LBO贫油熄火分析判断火焰的稳定性

柴油机

废气再循环(EGR)技术就是从发动机排气中,引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机汽缸内参与燃烧,既降低汽缸内的燃烧温度,又有效控制高温富氧条件下NOx的生成,从而大大降低发动机废气中NOx含量。EGR系统是由发动机ECU(电控单元)进行控制,ECU通过进气温度传感器,进气压力传感器,水温传感器,发动机转速传感器,油门传感器,以及车辆制动信号,来感知发动机的各种状态,从而控制EGR控制阀的开度和废气再循环比率。

从技术特点看,EGR技术可以有效降低燃烧过程中氮氧化物的生成。由于引入温度很高的废气,增加了整个发动机的热负荷,不仅对发动机进气过程的冷却提出了更高要求,而且整个发动机的冷却系统散热能力也需要提高。同时,由于需要控制氮氧化物生成,对燃烧过程的最高温度和持续时间都必须进行严格控制。

EGR发动机的存在的问题的主要诱因是废气重新进入气缸对结构设计的影响,所以进气过程仿真是最重要的步骤。

 ?  进气系统仿真

?  利用3D CFD方法模拟EGR发动机吸入废气和新鲜空气混合后,缸内的气体成分和分布。

?  关注气门表面的冲刷

?  关注废气温度的变化,避免水气凝结

 ?  喷油过程仿真 

?  用3D CFD方法分析直列泵喷射系统的燃油蒸汽雾化过程

?  考察并比对有无EGR情况下,蒸发过程的异同,优化喷油过程

 ?  燃烧过程仿真

?  利用3D CFD方法结合排放计算软件CHEMKIN,选用准确机理,模拟NOx和颗粒物的生成过程

?  优化NOx生成率、生成时间和EGR率的关系

 ?  增压器压气机仿真

?  利用3D 多组分计算考虑增压器的叶片载荷以及腐蚀问题。

 ?  发动机零部件结构仿真

?  使用3D 强度分析软件,针对耐久性试验中出现问题的零部件,结合载荷应力和热应力,进行零部件强度和疲劳分析,优化零部件结构设计

SCR的应用背景
 ?  柴油机的PM与NOx排放存在着“trade-off”的关系
 ?  国III/国IV发动机排放控制的主流技术之一

    ?增压、中冷、共轨、SCR

 ?  优点

    ?  能大幅度降低NOx排放(在不降低发动机效率的前提下,能使NOx的转化率高达90%以上,并且在温度范围变化比较大的情况下保证较高的NOx转化率)

    ?  较好的燃油经济性(油耗可节省5% ~ 7%)

    ?  对燃油品质相对不敏感(尤其是对S毒副作用的高抗性)

    ?  催化剂活性高以及对水蒸气稳定性好
 
SCR原理
 
 ?  NH3—SCR选择性催化还原技术利用NH3或尿素作为还原性物质,在O2浓度高出NOx浓度两个数量级以上条件下,在一定温度和催化剂作用下,利用NH3将NOx还原为N2和H2O。由于NH3高选择性优先还原NOx,而不先与O2反应,故称其为“选择性催化还原”。

 ?  SCR过程可在柴油机排气温度300℃~400℃温度下进行。该反应可以去除柴油机排气中绝大部分的NOx,同时也能不同程度降低HC和CO的排放。
 
SCR系统组成
 
SCR基本反应
 
SCR过程优化设计方案
 
 ?  采用软件仿真与部件试验相结合的方法对SCR过程进行优化设计是国内外主机和配套厂商的主要SCR设计思路

 ?  欧洲主要的SCR厂商均使用Chemkin软件进行过程仿真

 ?  SCR过程仿真方案

         ?  方法一:单独使用CHEMKIN软件仿真

         ?  方法二:使用CHEMKIN与CFD软件耦合仿真

汽油机

从近年开始小排量、高增压、缸内直喷以及与之相配合的双离合变速箱技术,使得车用汽油机的油耗大大降低,排放量显著减少,综合驾驶性能明显提高。

CHEMKIN软件为车用汽油机的模拟提供了一整套研发工具。

?  SinoFlow公司提供国内93号,97号国家标准汽油的化学成分分析。

?  CHEMKIN-WorkBench提供全套碳氢燃料机理包括汽油燃烧机理,提供全套机理简化方法,为核心燃烧机理的开发提供了便捷工具。

?  CHEMKIN-CFD提供CHEMKIN核心求解器与通用CFD软件的耦合运算。

?  FORTE作为著名的专业燃烧开发工具KIVA的最新商业版本,集成了几十年KIVA的开发经验,包括Wisconsin ERC的模型,使用了动态网格分组和动态自适应化学求解器,大大加快了求解速度,可以比常规CFD求解器快十倍以上。

CHEMKIN系列工具的汽油机燃烧模拟可以高精度的模拟点火、火焰传播、爆震、NOx生成、三元催化、颗粒物生成等一系列污染物生成和降低,是全新一代的低污染汽油机开发工具。

 

锅炉

随着我国经济的发展,煤燃烧带来的环境问题日益严重,燃煤产生的NOx和重金属可严重危害人类的健康,对水资源、大气和土壤造成极大的破坏。针对以上环境问题,各种煤燃烧污染物排放技术应运而生。在各个技术实际运行中,运行条件的变化会造成脱除成本、效率的巨大差异。无论是设计人员还是现场运行工程师都希望能有一款CAE软件来指导工业应用。

Reaction Design开发的CHEMKIN系列软件可针对工业应用中影响脱除效率的主要因素进行数值模拟,揭示最佳的反应条件,对工程应用起到指导作用。 

主要解决问题:

?  选择性催化还原(SCR)法脱除烟气中的NOx

?  选择性非催化还原(SNCR)法脱除NOx

?  燃煤过程中痕量重金属分析(汞铬)

?  再燃过程降低NOx

?  烟气喷钙还原NOx

?  等离子法脱除NOx

 

石油化工

乙烯是石油化工行业最重要的基础原料之一,乙烯工业的技术水平是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。烃类裂解制乙烯是较大分子的烃类在高温下发生断链和脱氢反应生成较小分子的乙烯和丙烯等产物的过程,包括脱氢、断链、异构化、芳构化等诸多反应。

Reaction Design开发的CHEMKIN系列软件可全面系统地分析乙烯裂解炉内燃烧、烟气流动传热和管内裂解原料反应过程以及各个过程之间的耦合关系,为工程设计和操作提供理论指导。

微电子

化学气相沉积(CVD)技术是全球范围材料制作与加工行业应用较为广泛的一种生产工艺,其机理是通过外来能量(热源,等离子)激活气态物质发生反应,生成能够沉积在反应表面的密度稍大的较重物质层,从而均匀地给表面镀上一层的薄膜。目前CVD主要应用于电子行业,包括集成电路、光电仪器、电子传感器的制作与加工;催化剂生产;金属的精细加工(如磨具、钻头加工),玻璃的生产,防高温的陶瓷制品制作等等。

Reaction Design开发的CHEMKIN系列软件可以对CVD工艺进行较好的模拟,能够形象地反映表面反应的过程,包括产物浓度的变化、产物沉积速率以及温度和流场的分布等,从而可以帮助企业减少有害物质的排放,优化生产工艺。

主要应用包括:

?  旋转盘、管道流动,多晶片反应器中CVD过程

?  反应器中工況参数优化

典型算例:

?  旋转条件下硅烷气相沉积工艺模拟

   ?惰性气体氦气中1%的硅烷常温下从上往下注入;

? 沉积墙面温度1000K,且高速旋转1000rpm;

? 17种反应物,26个可逆反应,其中13个表面反应;

   ?核心探讨

? 分析反应物的流动,反应,沉积过程;

? 了解沉积速率,产物浓度分布等细微变化。

 

核工业

轻水堆核电站发生严重事故时 ,堆芯内金属的氧化反应及堆芯熔融物与混凝土的反应皆产生大量氢气。氢气在安全壳中扩散 ,同时不断与空气和水蒸气混合 ,从而导致安全壳内形成可燃混合气体。氢气在安全壳内的燃烧将导致安全壳内气体压力和温度的快速上升 ,给安全壳的完整性带来严重威胁。在严重事故下 ,对可燃混合气体采取点火器对氢气进行预先点火是一种有效的缓解措施 ,其目的是在事故早期将氢气在较低浓度下点火 ,从而确保氢气仅发生慢速的扩散燃烧。

在国家核安全局颁布的 《关于新建核电厂若干安全问题的技术政策》 中明确指出:严重事故下 ,必须消除威胁安全壳完整性的大规模的氢气爆燃和爆炸。针对这一政策 ,中国在今后新建核电厂时 ,必须考虑严重事故下氢气在安全壳内的行为及其缓解措施。

CHEMKIN 作为作为世界上最顶尖的化学反应机理分析、燃烧过程模拟、流场分析软件尤其适合于核电氢气点火安全特性研究。

CHEMKIN 具有非常强大的求解复杂化学反应问题的软件包,适合用于对燃烧过程、催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。CHEMKIN 以气相动力学、表面动力学、传递过程这三个核心软件包为基础,提供了对21 种常见化学反应模型及后处理程序。CHEMKIN能够对氢气点火燃烧的全过程进行完整精确的分析,从氢气分布的三维计算流体力学模拟;评估点火时氢气发生火焰加速和燃爆转变的可能性;优化点火器系统的空间布置及点火时间;到氢气扩散火焰和慢速燃烧的模拟,CHEMKIN都能发挥其强大的分析、计算机优化能力。

碳烟

CHEMKIN-PTM理论介绍

?  SOOT模型中定义的碳颗粒可以由一个或一组碳原子构成

?  颗粒等级定义: 颗粒等级是由组成颗粒的固体组份的数量决定的,例如:一个碳颗粒的等级为100意思就是它由100个碳原子组成

?  粒子尺寸/等级的矩量函数
?  颗粒数量统计函数 
?  颗粒质量统计函数             
?  颗粒总体积统计 
?  颗粒平均直径统计
?  颗粒团聚模型 
?  颗粒核形成反应 
?  颗粒增长方式                                                                             
?  颗粒的缩减模型

 

相关推荐
QUICK CONTACT
快捷通道
新闻
燃烧反应
流体流动
结构强度
电磁电子
快速原型
工程方案
在线报价
资源中心
我们