氢气掺混LPG甲烷CHEMKIN优化仿真

关键词：CHEMKIN；氢气掺混；层流火焰速度；自由基；多目标优化

一、文章简要介绍

这篇论文来自印度VIT等高校，2024年发表在Energy Conversion and Management: X上，DOI：10.1016/j.ecmx.2024.100532。主线是用CHEMKIN算LPG、甲烷分别掺0到50%氢气的燃烧特性，再拿TOPSIS、MABAC、GRA三种多目标方法挑最优工况。掺氢50%后，LPG-H2层流火焰速度比CH4-H2高20.97%，H和OH自由基大幅增加，O自由基减少，燃烧更干净。

二、CHEMKIN模型建立与验证

机理用的是开源增强版San Diego机理：58种组分、325个基元反应，压力适用范围10托到10个大气压，温度1000到2500开尔文，当量比0.1到5。层流火焰速度用CHEMKIN一维自由传播火焰算：允许网格300点加自适应网格50点，梯度和曲率都设0.9，计算域从0到40毫米，初始压力1个大气压、温度298开尔文，燃料质量流率0.0008276克每平方厘米秒。

图1 掺氢燃料燃烧仿真整体工作流程图

图1是全文的工作流程：确定燃料配比、算物性、验证机理、扫工况、最后多目标优化。

燃料物性先算一遍：纯氢气、甲烷、LPG的高热值分别是12.5、37.5、48.5兆焦每立方米，沃泊指数分别是47.8、56.2、38.96兆焦每标准立方米。掺氢后沃泊指数先降后升，在80%附近拐弯，空燃比随掺氢比例单调上升。这些参数直接决定家用燃烧器能不能兼容掺氢燃料。

图2 层流火焰速度实验与CHEMKIN计算对比验证（甲烷-氢-空气）

图2是机理验证：把CH4-H2的当量比从0.6扫到1.4，计算得到的层流火焰速度与Zuohua Huang团队的实验数据对比，San Diego机理预测准确。

三、关键结果与发现

掺氢对层流火焰速度的影响很直接。当量比1附近速度最高，0%掺氢时LPG-H2约45厘米每秒，掺到50%氢涨到75厘米每秒；CH4-H2从52厘米每秒涨到62厘米每秒。50%掺氢下LPG-H2比CH4-H2快20.97%，原因是氢的反应活性高，而LPG的抗淬熄能力比甲烷强。

图3 LPG-H2与CH4-H2层流火焰速度随掺氢比变化对比

图3是两种掺氢燃料层流火焰速度的对比曲线，实线是LPG-H2，虚线是CH4-H2，掺氢比例越高差距越明显。

自由基生成是掺氢改善燃烧的机理所在。50%掺氢时，LPG-H2混合气的H自由基生成量增加42.89%，OH自由基增加24.01%，而O自由基减少50.24%。H和OH是链式反应的主力，自由基多了，火焰传播和放热更充分，不完全燃烧产物自然减少。

图4 H/O/OH自由基摩尔分数对比（a-f：LPG-H2与CH4-H2）

图4对比了两种掺氢燃料里H、O、OH三种自由基的摩尔分数，六个子图按燃料和自由基排布。

工况扫描看出参数敏感性：当量比从0.9变到1.3，火焰速度在1附近见顶，H自由基的峰在1.2；进口温度从298升到338开尔文对火焰速度和自由基影响都不大；压力从1升到5个大气压火焰速度明显下降，但掺氢始终能往回拉。O和OH的生成峰值都出现在1个大气压。

图5 火焰速度随当量比与掺氢比的变化（a为LPG-H2，b为CH4-H2）

图5是火焰速度随当量比和掺氢比变化的曲面图，峰值集中在当量比1附近、掺氢比例最高的区域。

最后做多目标优化。把掺氢比例、进气温度、压力、当量比当决策变量，目标同时最大化火焰速度和自由基浓度，Pareto多目标优化之后，用MABAC、TOPSIS、GRA三种方法给方案排序。GRA对LPG-H2给出最优：50%掺氢、298开尔文、当量比1，火焰速度76.09厘米每秒；TOPSIS和MABAC认为40%掺氢、338开尔文也接近最优。CH4-H2三种方法一致指向61.23厘米每秒的组合。

图6 CHEMKIN仿真与多目标优化完整工作流

图6是完整的仿真与优化工作流，从机理、工况矩阵到Pareto解集再到三种排序方法。

图7 TOPSIS、MABAC与GRA三种方法优化排序结果

图7是三种优化方法的排序对比，横轴是候选方案，纵轴是综合得分。

四、我们提供的服务

我们可提供CHEMKIN/Cantera化学动力学仿真、层流火焰速度与自由基分析、多目标优化等模拟服务。如需相关服务，欢迎私信聊聊。

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