Δημιουργία μηχανισμών χημικής κινητικής μειωμένης τάξης με χρήση γενετικών αλγορίθμων

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η δημιουργία χημικών μηχανισμών μειωμένης τάξης, ενός βήματος ή δύο βημάτων, για την καύση με φλόγα προανάμιξης σε αέρα δύο σημαντικών πρότυπων καυσίμων, του υδρογόνου (H2) και του μεθανίου (CH4). Για τον σκοπό αυτόν, χρησιμοποιείται μονοδιάστατη προσομοίωση, σε συνδυασμό με αλγόριθμο βελτιστοποίησης βασισμένο σε γενετικούς αλγορίθμους. Συγκεκριμένα, γίνεται σύζευξη του υπολογιστικού πακέτου CHEMKIN με κώδικα βελτιστοποίησης. Εδώ, διαμορφώνεται ένα πολυκριτηριακό πρόβλημα βελτιστοποίησης, με αντικειμενικές συναρτήσεις την απόκλιση της στρωτής ταχύτητας φλόγας και του πάχους αυτής, σε σχέση με τις τιμές που προκύπτουν από την προσομοίωση μονοδιάστατης φλόγας προανάμιξης με χρήση λεπτομερούς χημείας. Οι μεταβλητές σχεδίασης του προβλήματος είναι οι παράμετροι της χημικής κινητικής, συγκεκριμένα οι παράμετροι της ειδικής σταθεράς (ή των ειδικών σταθερών) του απλοποιημένου μηχανισμού, καθώς και η τάξη του κάθε αντιδρώντος, στον νόμο δράσης των μαζών. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία εφαρμόζεται στις ακόλουθες περιπτώσεις:  Καύση υδρογόνου σε αέρα, για λόγους ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα Φ=0.6÷1.4, με χημεία ενός βήματος.  Καύση μεθανίου σε αέρα, για λόγους ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα Φ=0.6, 1.0, με χημεία ενός βήματος, και δύο βημάτων.

Σε όλες τις περιπτώσεις, η διαδικασία βελτιστοποίησης συγκλίνει στο τελικό σύνολο των βέλτιστων λύσεων (μέτωπο Pareto). Στην περίπτωση της φλόγας υδρογόνου, η προκύπτουσα σύγκλιση είναι καλή για χαμηλές τιμές του Φ, με την απόκλιση από τον πλήρη μηχανισμό να αυξάνεται με αύξηση του Φ. Στην περίπτωση της φλόγας μεθανίου Φ=0.6, η σύγκλιση είναι καλή, τόσο για μηχανισμό ενός βήματος, όσο και για μηχανισμό δύο βημάτων, με την ακρίβεια να είναι κατά τι υψηλότερη για τον μηχανισμό δύο βημάτων. Για στοιχειομετρική φλόγα μεθανίου, η σύγκλιση είναι εξαιρετικά καλή καί για τους δύο μηχανισμούς μειωμένης τάξης που χρησιμοποιήθηκαν. Ως απόρροια της παρούσας εργασίας, προέκυψε ένα υπολογιστικό εργαλείο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μηχανισμών χημικής κινητικής μειωμένης τάξης, με απώτερο στόχο τη χρήση αυτών σε εφαρμογές Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής.

Chemical kinetics mechanism reduction-optimization of hydrogen and methane, using genetic algorithms.