Analysis and reduction of detailed chemical kinetics mechanisms for combustion of ethanol and air

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2016
Autor(a) principal: Pacheco, Augusto Finger
Orientador(a): Oliveira, Amir Antônio Martins de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/172793
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016.
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O segundo por Mittal e colaboradores (2014), no C3-NUI, na Irlanda, envolvendo 710 reações químicas reversíveis, englobando 111 espécies, desenvolvido para prever os atrasos de ignição medidos em máquinas de compressão rápida. O terceiro mecanismo selecionado foi produzido por Cancino e colaboradores (2010), do IVG, Alemanha, e da UFSC, Brasil, contendo 1349 reações químicas reversíveis, compreendendo 35 espécies, feito principalmente para prever atrasos de ignição à alta pressão em tubos de choque. Os métodos de redução selecionados foram: Sensitivity Analysis (SA), Rate of Production (ROP), Direct Relation Graph (DRG), Direct Relation Graph with Error Propagation (DRGEP) e Path Flux Analysis (PFA). Sendo o mecanismo do Leplat o mais compacto, este foi utilizado para avaliar a redução final e a razão de convergência de cada método estudado. Ambos, atrasos de ignição (Ignition Delay Times, IDT) e velocidade de chama laminar, compreendidos em um grande intervalo de condições de temperatura, pressão e razão de equivalência foram selecionados como parâmetros de redução. Da análise inicial, os métodos DRG e DRGEP apresentaram as maiores eficiências, tanto em termos de tamanho final do mecanismo reduzido como nos termos de taxa de remoção de espécies. Assim, ambos os métodos foram sistematicamente aplicados nos outros mecanismos e as diferenças entre as espécies removidas foram avaliadas. O mecanismo final obtido via DRGEP para o mecanismo do Leplat apresentou, respectivamente, 84% e 72% das espécies e reações do mecanismo detalhado. Para o mecanismo do Cancino, o DRGEP apresentou uma maior redução, com 58% e 61% respectivamente das espécies e reações sem remover o mecanismo de oxidação do nitrogênio e ainda representando o IDT à altas pressões com uma diferença menor de 5% do mecanismo detalhado. Finalmente, para o mecanismo do Mittal, o método DRG apresentou a maior redução, atingindo 37% das espécies e 34% das reações do mecanismo detalhado. A análise de sensibilidade dos mecanismos reduzidos revelaram o mesmo grupo de reações como as mais sensíveis para a chama laminar e IDT dos apresentados pelos mecanismos detalhados, indicando que a redução não modifica a razão de importância das reações dentro de um caminho de reação para um dado mecanismo. Entretanto, ao comparar os mecanismos reduzidos entre si, muitas diferenças se tornam visíveis, como a modelagem dos fenômenos inicias ou finais da combustão. Estas observações podem auxiliar e dirigir o desenvolvimento de mecanismos cinéticos mais abrangentes para a modelagem da combustão de etanol.<br>Abstract : In this work, three detailed kinetic mechanisms available in the literature were subjected to different methods of reduction, using the conditions found on internal combustion engines normal operation as reduction targets. The mechanisms selected were those of Leplat and co-workers (2011), from ICARE, Orleans, France, containing 252 reversible chemical reactions among 38 chemical species, developed mainly to reproduce measurements of species concentration in perfectly-stirred reactors; of Mittal and co-workers (2014), from C3-NUI, Ireland, involving 710 reversible chemical reactions among 111 chemical species, developed mainly to predict ignition delay time measured in rapid compression machine; and that of Cancino and co-workers (2010), from IVG, Germany, and UFSC, Brazil, involving 1349 reversible chemical reactions among 135 chemical species, mainly developed to predict high-pressure ignition delay time measured in shock tubes. The reduction methods selected were the Sensitivity Analysis (SA), Rate of Production (ROP), Directed Relation Graph (DRG) and Directed Relation Graph with Error Propagation (DRGEP) and Path Flux Analysis (PFA). Since Leplat's mechanism is the most compact, it was selected for the assessment of the final reduction and convergence ratio involved in each reduction method studied. Both ignition delay time and laminar flame speed, evaluated over a large range of temperature, pressure and equivalence ratios, were selected as reduction targets. The maximum difference allowed between the predictions of the full detailed and the reduced mechanisms was 5 % over the entire target range. From the initial analysis, the DRG and DRGEP methods appeared as the most effective, both in terms of the size of the final reduced mechanism, as well as in terms of the rate of removal of species. The DRG and DRGEP methods were then systematically applied to the other mechanisms and the differences observed in the reduced species were noted and analyzed. The final reduced mechanism obtained via DRGEP from Leplat´s mechanism presented, respectively, 84 % and 72 % of the species and reactions of the detailed mechanism. For the Cancino mechanism, the DRGEP produced a larger reduction with 58 % and 61 % of species and reactions respectively of the detailed mechanism, without removing the nitrogen oxidation mechanism and still representing the high-pressure IDT with a 5% difference from the detailed mechanism. Finally, for the Mittal mechanism, the DRG method presented the largest reduction, reaching 37% of species and 34% of reactions of the detailed mechanism. The sensitivity analysis of the reduced mechanisms revealed the same group of most sensitive reactions in respect to the laminar flame and ignition delay time as the detailed mechanism, indicating that the reduction does not change the relative importance of the reactions within a reaction path for a given mechanism. However, when the reduced mechanisms are compared among them, several basic differences arise, mainly in the level of detail, expressed as the number of intermediates and reactions, placed in modeling early or late kinetics phenomena. These observations may lead to the development of more comprehensive mechanisms for the modeling of ethanol combustion.100 p.| il., grafs., tabs.engEngenharia mecânicaCombustãoCinética químicaÁlcoolBiocombustíveisAnalysis and reduction of detailed chemical kinetics mechanisms for combustion of ethanol and airinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINAL343953.pdfapplication/pdf3011153https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/172793/1/343953.pdf751769c238df128576bd611ed9f3178bMD51123456789/1727932017-01-31 01:11:17.022oai:repositorio.ufsc.br:123456789/172793Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestsandra.sobrera@ufsc.bropendoar:23732017-01-31T03:11:17Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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