设计能够满足降低温室气体和其它有毒物质排放法定要求的高性能内燃机与燃气轮机可能是目前运输工具制造商和能源生产商所面临的最大挑战。

基于详细燃料化学机制的用于高级 3D内燃机设计的 FORTÉ CFD套件

通过自动执行众多产品和应用中的化学过程分析，Reaction Design 公司的产品能帮助设计人员实现其清洁技术目标。该公司在全球拥有400 多个客户，其中包括业界领先的内燃机、工业及航空涡轮机制造商、原材料加工商和能源生产商。

燃烧CFD 仿真技术使设计工程师能创建排放更低的燃烧系统，而无需花费数百万美元打造实体模型，也无需进行成本高昂的试错测试。但是，确保仿真技术精确预测现实燃料效果需要采用能表现燃烧物理过程和热力行为的复杂算法。另外，需要详细地了解所用燃料的化学构成和发动机类型。

快速、精确的仿真

Reaction Design 公司的产品旨在最大程度地提高仿真精确性及减少创建完全可行的设计所需的整体时间。燃烧仿真非常有助于设计人员实现设计目标，但前提是建模结果能够真正呈现发动机特征。通过燃烧仿真获得精确结果需要获取在整个发动机工作循环存在巨大变化的物理与化学特性。例如在内燃机中，喷雾分解与蒸发、湍流、点火延迟和火焰传播都是获得有用结果必须进行建模的要素。

借助大规模并行计算机，采用CFD中接近1 亿个单元的计算网格能够详细呈现发动机的几何结构。但是，大多数CFD 软件套件所含的化学求解器技术相对于流体计算速度而言仍然比较慢。因此，工程师在燃烧仿真中通常会采用严重缩减的单成分燃料模型。这种简化模型缺乏精确预测关键发动机性能指标所需要的细节，例如：点火延迟、火焰传播、Nox、CO 以及PM（煤烟）排放。

2005 年， Reaction Design 公司成立了由2 0 个成员组成的模型燃料协会（Model Fuels Consortium），其中包括了能源与发动机制造行业的全球领导者，如：雪佛龙（Chevron）、康菲（ConocoPhillips）、康明斯（Cummins）、陶氏化学公司（Dow Chemical Company）、福特汽车公司（Ford Motor Company）、通用电气能源（GE Energy）、通用汽车（General Motors）、本田（Honda）、法国石油研究院（IFP）、马自达（Mazda）、三菱汽车（Mitsubishi Motors）、日产（Nissan）、橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、巴西国家石油公司（Petrobras）、P S A 标志雪铁龙（PSA Peugeot Citroën）、沙特阿美石油公司（Saudi Aramco）、铃木（Suzuki）、丰田（Toyota）以及大众（Volkswagen）。该协会旨在利用软件仿真与建模技术中化学特性精确的燃料成分模型以更低的成本迅速设计出更清洁且更高效的发动机与燃料。

模型燃料库具有40 多个经过验证的燃料成分模型。

Reaction Design 公司利用模型燃料协会的数据建立其模型燃料库（MFL）-从4000 多个化学品的主反应过程表中获取的56 种全面验证自相容燃料成分的详细化学动力学与作用过程目录。此MFL 能够帮助设计人员精确地仿真几乎所有汽车、飞机与发电发动机中的燃料效果；相关成分可以组合在一起对各种新旧混合燃料进行建模。

在结合使用Reaction Design 公司的软件套件情况下，燃料模型成分能够显著提高各以及操作条件和燃料类型的结果精确性，而不影响求解时间（即从工程师执行仿真设置到完成虚拟结果分析的总时钟时间）。

Reaction Design 公司的产品通过利用简单易懂的向导式图形用户界面简化仿真流程的设置、求解与分析步骤以及把数学求解器技术与能够确保精确性的相应物理和化学详情融为一体，从而消除仿真流程的传统瓶颈。

作为气相与表面化学建模黄金标准的CHEMKIN 是由森地亚国家实验室于二十世纪八十年代制订，用作描述燃料燃烧过程中一系列复杂的分子级化学反应的一组命令行驱动代码。其促成了一套采用反应流程理想描述的详细动力学反应器模型的诞生。最后，0-D 与1-D 流程近似法成为基本燃烧研究的主力。此外，CHEMKIN也成为化学工程、机械工程及化学课程的重要教学工具。详细的气体表面反应方法使CHEMKIN 在材料加工研究领域得到了广泛应用，例如：微电子芯片制造领域的化学气相淀积或等离子蚀刻。

CHEMKIN 是复杂化学过程的黄金标准仿真软件。

1997 年，Reaction Design 公司成为CHEMKIN 技术的独家开发商与许可人。CHEMKIN 逐渐发展为商用软件，使工程师和科学家们能够全面地了解化学过程与动力学，同时能够快速研究设计变量对性能、副产品产生、发动机或流程效率的影响。CHEMKIN 能够帮助研究人员针对各种工艺和条件探讨数千种化学品和数万个反应。为CHEMKIN 开发的高级求解器可以快速、精确地仿真基本详细化学与点火表现特性，其能把大规模作用过程的复杂模型的燃烧仿真时间从数日缩短到数小时，或者从数小时缩短到数分钟。这些仿真的速度与精确性使设计人员能够在真正进入开发计划的原型阶段之前测试备选系统配置和输入数据，以便优化性能、效率和排放合规性。

ENERGICO 仿真软件套件可提供多种燃料在虚拟环境中的燃烧化学仿真。

Reaction Design 公司的ENERGICO 仿真软件套件能为汽轮机燃烧室、锅炉和熔炉燃烧器、照明弹及焚烧炉等应用的燃烧系统设计提供详细的动力学建模功能。ENERGICO 采用CFD 仿真技术帮助创建精确的系统化学模型，以应对能源生产及相关行业的减排和燃烧稳定性挑战。

与传统CFD 方法相比，FORTÉ 能够显著缩短求解时间。

借助其在化学领域的强大背景和丰富经验，Reaction Design 开发了能实现内燃机燃料效果真实3D 建模的FORTÉ CFD 软件套件。FORTÉ 采用了业经验证的数学方法与算法并且结合详细的化学动力学实现发动机燃烧室的燃烧过程仿真，同时能够预测操作条件和燃料变化对发动机表现特性的影响。FORTÉ 卓越的求解时间指标使其成为了内燃机设计流程的可靠部分，同时还为生产更清洁、性能与效率更高的发动机提供有利帮助。

Reaction Design 公司团队为能够提供可帮助领先企业利用基于计算机仿真与建模的化学过程分析自动化功能创建更好的产品而感到骄傲。作为ANSYS的一部分，团队正不断扩大愿景，致力为更多客户带来强大功能。

参考资料

[1] 忧思科学家联盟：《汽车、卡车与空气污染》，www.ucsusa.org/clean_vehicles/why-clean-cars/air-pollution-and-health/cars-trucks-airpollution.html

[2] 忧思科学家联盟：《清洁能源》， www.ucsusa.org/clean_energy/