Αξιολόγηση και βελτιστοποίηση μηχανισμών χημικής κινητικής καύσης μεθανίου για συνθήκες ναυτικών κινητήρων - Περδικάρης, Φοίβος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας, 2017)
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση μηχανισμών χημικής κινητικής για την καύση μεθανίου (CH4), τόσο σε αέρα όσο και σε οξυγόνο. Ειδικότερα, στο πρώτο τμήμα της παρούσας μελέτης, υλοποιείται η αξιολόγηση τριών λεπτομερών μηχανισμών χημικής κινητικής αναφορικά με την καύση μεθανίου, με σκοπό την ανάδειξη του καλύτερου, με κριτήριο την ακριβή αναπαραγωγή έμμεσων πειραματικών δεδομένων. Ο όρος έμμεσα πειραματικά δεδομένα αντιστοιχεί σε τιμές της στρωτής ταχύτητας φλόγας προανάμιξης, της καθυστέρησης έναυσης σε ομογενές μίγμα δεδομένων αρχικών συνθηκών, καθώς και σε τιμές των συγκεντρώσεων των χημικών ενώσεων συναρτήσει της θερμοκρασίας σε αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης. Τα πειραματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν επιλέχθηκαν από μια πληθώρα δεδομένων της βιβλιογραφίας, για ένα σημαντικό εύρος τιμών θερμοκρασίας, πίεσης και λόγου ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα. Ακολούθως, αξιολογήθηκαν οι τρεις θεωρούμενοι μηχανισμοί για τις τρεις ως άνω εφαρμογές, στο πλαίσιο υπολογιστικών προσομοιώσεων με χρήση του κώδικα CHEMKIN. Από τη συνολική σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα προκρίθηκε ο ένας εκ των τριών μηχανισμών ως ο συνολικά ακριβέστερος. Στο δεύτερο τμήμα της παρούσας μελέτης, βελτιστοποιείται μηχανισμός μειωμένης τάξης. Προς τον σκοπό αυτόν, γίνονται κατά σειρά τα ακόλουθα: (i) ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis), (ii) ανάλυση αβεβαιότητας (uncertainty analysis), και (iii) διατύπωση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης του μηχανισμού μειωμένης τάξης (κάνοντας χρήση των αποτελεσμάτων των βημάτων (i) και (ii)), και επίλυσή του. Στο πλαίσιο της ανάλυσης ευαισθησίας, αξιολογείται ένας αριθμός λεπτομερών μηχανισμών καύσης μεθανίου, και προκύπτουν ουσιαστικά συμπεράσματα αναφορικά με τις χημικές διεργασίες της καύσης (σημαντικές αντιδράσεις, πορεία του άνθρακα, και εξάρτηση αυτών από τις συνθήκες της διεργασίας). Τα αποδεκτά όρια της ειδικής σταθεράς των σημαντικών αντιδράσεων προκύπτουν από την ανάλυση αβεβαιότητας, με τον εν λόγω προσδιορισμό να διασφαλίζει όρια κατάλληλα από φυσική άποψη, και να μειώνει σημαντικά το τελικό συνολικό υπολογιστικό κόστος της διαδικασίας βελτιστοποίησης. Εδώ, βελτιστοποιείται ο ως άνω μηχανισμός μειωμένης τάξης, συγκεκριμένα προσδιορίζονται οι παράμετροι της ειδικής σταθεράς σημαντικών αντιδράσεων, όπως αυτές έχουν προκύψει από την ανάλυση ευαισθησίας, οι οποίες ελαχιστοποιούν μια κατάλληλα ορισμένη αντικειμενική συνάρτηση. Η χρήση του βελτιστοποιημένου μηχανισμού μειωμένης τάξης επιφέρει σημαντική βελτίωση στα υπολογιστικά αποτελέσματα, σε σύγκριση με αυτά του αρχικού (μη βελτιστοποιημένου) μηχανισμού. Τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές μελέτες της καύσης μεθανίου, αλλά και οποιουδήποτε άλλου καυσίμου. Επιπλέον, ο βελτιστοποιημένος μηχανισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μελέτη φαινομένων καύσης φυσικού αερίου σε ναυτικούς κινητήρες διπλού καυσίμου με χρήση Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής.