Mathematical models and software package for calculation of chemical high-temperature non-equilibrium processes
In this work the mathematical models and software package for calculation of chemical non- equilibrium high-temperature processes developed on the basis of reactor approach are described. The physical schemes and mathematical models of using types of reactors (well-stirred reactor with the prescribed change of parameters; adiabatic reactor; well-stirred reactor P, H = const) are presented. The algorithm and brief description of codes for calculation of combustion processes in reactors (scheme of Pirumov and the spline-integration method) are presented. The analytical calculation technique of the sensitivity coefficients as regards to the rate constants is offered. The numerical research for reacting system H+S+O+(N) are presented. The method of "engaging" intended for create of reduction reacting mechanisms is described and also are presented examples of generations of these mechanisms.
В работе дано описание математического и программного обеспечения расчета химически неравновесных процессов, созданного на базе реакторного подхода. Представлены физические схемы и математические модели применяемых типов реакторов: реактор идеального смешения с заданными зависимостями изменения параметров; адиабатический реактор идеального вытеснения; реактор идеального смешения P, H = const. Изложены алгоритм расчета и дано краткое описание программ расчета процессов горения в этих реакторах (метод Пирумова и метод сплайн-интегрирования). Представлен метод аналитического определения коэффициентов чувствительности характеристик реагирующей системы по отношению к константам скоростей химических реакций, и для реагирующей системы H+S+O+(N) даны численные примеры. Изложен метод зацепления, предназначенный для формирования сокращенных механизмов реакций, и представлены примеры по генерации таких механизмов.
1. Kee R.J., Rupley F.M., Meeks E. & Miller J.A., CHEMKIN: A Software package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetics. Sandia National Laboratories Report SAND96-8216, CA, 2000.
2. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. КИНКАТ – автоматизированная система разработки сложных радиационно-кинетических моделей. //Мат. моделирование процессов управления и обработки информации: Межвед. сб. – М.: МФТИ, 1993. – С. 113-123.
3. Крюков В.Г., Наумов В.И., Абдуллин А.Л., Демин А.В., Исхакова Р.Л. Математическое моделирование реагирующих течений на базе реакторного подхода // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2004. Том 1.-49с
4. Jiang T.L. and Chiu Huei-Huang, Bipropellant Combustion in a Liquid Rocket Combustion Chamber. //Journal of Propulsion and Power, Vol. 8, No 5, 1992, pp. 995-1003.
5. Jones W.P. and Lindstedt R.P., Global Reaction Schemes for Hydrocarbon Combustion. //Combustion and Flame, Vol. 73, No 1,3, 1988, pp.233-242.
6. Lindstedt R.P. and Maurice, L.Q., Detailed Chemical –Kinetic Model for Aviation Fuels. //Journal of Propulsion and Power, Vol. 16, No 2, 2000, pp. 187-195.
7. Foelsche R.O., Keen J.M., Solomon W.C., Buckley P.L. and Corporan E., Nonequilibrium Combustion Model for Fuel-Rich Gas Generators. //Journal of Propulsion and Power, Vol. 10, No 4, 1994, pp. 461-472.
8. Крюков В.Г., Наумов В.И., Демин А.В., Абдуллин А.Л., Тринос Т.В., Горение и течение в агрегатах энергоустановок. Москва, Янус-К, 1997, 304 стр.
9. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.И., Костин В.Н., Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник Том 3, Москва, ВИНИТИ, 1973, 623 стр.
10. Пирумов У.Г., Росляков Г.С., Газовая динамика сопел. Москва, Наука, Гл. Изд. Физ-Мат. Литературы, 1990, 368 стр.
11. Sallam S., 2000, Stable Quadratic Spline Integration Method for Solving Stiff Ordinary Differential Equation, // Applied Mathematics and Computation, Vol. 116, No. 3, pp. 245-255.
12. Press, W. H.; Flinnery, B. P. and Vetterling, W. T., et al. Numerical Recipes in C: The art of scientific equation models by polynomial approximation. New Jersey: Prentice-Hall, 1988, 735p.
13. Durigon A.,. Krioukov V.G., Claeyssen J.C.R., Análise da integração das equações da cinética química com o uso dos autovalores do jacobiano. In Proceedings of 25 Iberian Latin American Congress on Computational Methods in Engineering, Recife, Brasil, V. 1, 2004 pp. 1-12,.
14. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.И., Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник Том 1, Москва, ВИНИТИ, 1971, 266 стр.
15. LEEDS - Reaction Kinetics Database. School of Chemistry, University of Leeds, 2004.
16. Burcat A., Third Millennium Ideal Gas and Condensed Phase Thermochemical Database for Combustion. Technion Aerospace Engineering (TAE) Report # 867 January, Faculty of Aerospace Eng. Technion – Israel Institute of Technology, 2001.
17. Gordon S., McBride B.J., NASA SP-273 Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions, Rocket Performance, Incident and Reflected Shocks and Chapman-Jouguet Detonations. Washington, 1971, 245p.
18. Белов Г.В., Иориш В.С., Юнгман В.С., Моделирование равновесных сосотояний термодинамических систем с использованием IVTANTERMO для Windows. //Теплофизика высоких температур, т. 28, N 2, 2000, стр. 191-196.
19. Oran E.S. and Boris J.P., Numerical Simulation of Reactive Flow. Ed. Elsevier, New York, 1987.
20. Кондратьев В.Н., Константы Скорости Газофазных Реакций. Справочник, М., Наука, 1974, 512 стр.
21. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г., Курс химической кинетики. Москва, Изд. Высшая школа, 1969, 432 стр.
22. Alzueta M.U., Bilbao R., Glarborg P., Inhibition and Sensitization of Fuel Oxxidation by SO2, //Combustion and Flame, 127, 2001 pp. 2234-2251
23. Rabitz H., Kramer M., Dacol D., Sensitivity Analysis in Chemical Kinetics”, //Ann. Rev. Phys. Chem., 34, 1983 pp. 419-461
24. Glarborg P., Miller J.A., Kee R.J. Kinetic Modeling and Sensitivity Analysis of Nitrogen Oxide Formation in Well-Stirred Reactors, //Combustion and Flame, 65, 1986 pp.177-202
25. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978, 515 стр.
26. Никандрова М.В., Крюков В.Г., Исхакова Р.Л. Аналитическое определение коэффициентов чувствительности реакций для условий реактора идеального смешения. //Журнал: Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Том 4, 2006.
27. Blom J.G. and Verwer J.G., A Comparison of Integration Methods for Atmospheric Transport-Chemistry Problems. //Journal of computational and Applied Mathematics, N 126, 2000, pp. 381-396.
28. Хохлов А.В., Цымбал А.Н., Гидаспов В.Ю., Стрельцов В.Ю., Численное моделирование горения в камерах кислородно-водородного ЖРД с учетом сопряженного теплообмена. //Тезисы V международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004), Самара, Россия, 2004, стр. 196-197.
29. Peters N., and Kee R.J., The computation of stretched laminar methane-air diffusion flames using a reduced four-step mechanism. //Combustion and Flame, Vol. 68, 1987 pp. 17-29
30. Glaude P.A., Battin-Leclerc F., Fournet R., Warth V., Come G.M., Scacchi G. Construction and simplification of a model for the oxidation of alkanes. //Combustion and Flame, Vol. 122, 2000 pp. 451-462
31. Tianfeng Lu, Yiguang Ju, Chung K. Law. Complex CSP for chemistry reduction and analysis. //Combustion and Flame, Vol. 126, 2001 pp. 1445-1455
32. Lam S.H., Goussis D.A. The CSP method for simplifying kinetics. //International Journal of Chemical kinetics, Vol. 26, 1994 pp. 461
33. Maas U., and Pope S.B. Simplifying chemical kinetics: Intrinsic low-dimensional manifolds in composition space. //Combustion and Flame, Vol. 88, Issue 3-4, 1992 pp. 239-264
34. Eggels R.L., Goey L.P.H., Mathematically reduced reaction mechanisms applied to adiabatic flat hydrogen/air flames. //Combustion and Flame, Vol. 100, 1995 pp. 559
35. Франк-Каменецкий Д.А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Москва, Наука, 1988, 502 стр.
36. Никандрова М.В., Крюков В.Г., Исхакова Р.Л. Сокращение механизмов реакций методом “зацепления”. //Журнал Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2007 Том 5
37. Kalamatianos S., Park Y.K., Vlachos D.G. Two-Parameter Continuation Algorithms for Sensitivity Analysis, Parametric Dependence, Reduced Mechanisms, and Stability Criteria of Ignition and Extrinction. //Combustion and Flame, Vol. 112, 1998. pp. 45-61
