《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Numerical optimization of compression ratio to overcome viscosity barriers in Chlorella vulgaris biodiesel low temperature combustion using multi-criteria optimization
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Mehedi Hassan Pranta|Haeng Muk Cho|Seong Sik Cheon韩国忠清南道天安市西 Buk-区天安大路1223-24号，孔朱国立大学机械工程系 331-717摘要第三代微藻生物燃料被视为化石柴油的可持续替代品。然而，在先进的低温燃烧条件下，由
Mehedi Hassan Pranta|Haeng Muk Cho|Seong Sik Cheon
韩国忠清南道天安市西 Buk-区天安大路1223-24号，孔朱国立大学机械工程系 331-717
摘要
第三代微藻生物燃料被视为化石柴油的可持续替代品。然而，在先进的低温燃烧条件下，由于微藻生物燃料本身具有较高的运动粘度，其液滴雾化过程受到阻碍。克服这一物理障碍至关重要。在这些先进发动机中，雾化效果不佳会导致燃烧不稳定以及有毒排放物的急剧增加，从而阻碍了其商业化应用。本文假设通过动态调整发动机的几何压缩比，可以优化缸内空气动力学剪切力和热力学条件，从而充分缓解这些物理限制。为了验证这一假设，本研究使用了ANSYS Forte软件进行三维计算流体动力学模拟，并结合了基于熵的多标准优化算法。评估了在15–17的压缩比和不同负载点下，普通小球藻（Chlorella vulgaris）生物柴油混合物的性能，并与柴油基线进行了对比。在压缩比为16时，热力学工作输出在数值不确定性范围内保持稳定；而在压缩比为15时则有所下降。然而，严重的高负载熄火现象仍然无法避免，导致未燃烃排放量增加了高达350%。相反，将压缩比提高到17时，产生的空气动力阻力足以使液滴尺寸减小9.2%，燃烧过程得到稳定，一氧化碳排放量减少了82%，未燃烃排放量减少了90.4%。不过，这也导致热氮氧化物排放量增加了27.0%至66.8%。多标准分析表明，压缩比17是最佳选择。最终，尽管二次后处理对于减少尾气中的氮氧化物仍然必不可少，但通过调整发动机几何形状，可以使用粘度较高的微藻燃料来实现联合国可持续发展目标7和13。
引言
发展中国家的快速工业化和经济增长导致了全球能源需求的激增。为了减轻这一趋势对环境的影响，人们探索了各种替代能源。已经证明了酒精基混合物在双燃料配置中的潜力[1]。此外，还研究了这些替代燃料替代方案所涉及的特定排放机制[2]。其中，生物柴油作为一种可生物降解、可持续且碳中性的选项脱颖而出，可以在不需要对发动机进行重大改造的情况下直接替代石油柴油[3]。生物柴油中含有的氧气（通常约为10%）显著提高了燃烧效率，从而降低了未燃烃（UHC）、颗粒物（PM）和一氧化碳（CO）的排放量，尽管这通常会导致氮氧化物（NOx）的轻微增加[4]。
由于微藻具有较高的适应性和脂质生产能力，因此它们比大豆或油菜等陆地作物成为更好的原料[5]。在优化条件下，微藻生长迅速（每天10–25克/平方米），并且能够在仅需少量营养的情况下储存70–90%的脂质[6]。在本研究中，选择了普通小球藻（Chlorella vulgaris）作为第三代原料，因为它具有出色的可扩展性和相关的物理化学特性[7]。这种单细胞菌株能够在淡水、海洋和陆地环境中茁壮成长，并在自养、混合营养和异养条件下通过自孢子形成快速繁殖[8]。其甲酯具有理想的脂质组成，具有较高的热值和良好的氧化稳定性。尽管如此，微藻生物燃料仍然存在常见的运动粘度问题[9]。其高能量潜力与物理雾化挑战的结合使其成为优化分析的理想候选者。
关于微藻作为替代燃料的最新文献总结见表1。研究表明，尽管有关普通小球藻甲酯（CME）的实验和数值研究很多，但这些研究的范围通常较为有限。许多数值分析依赖于基于热力学第一定律的软件（如Diesel-RK）。虽然这些软件适用于快速的0D/1D分析，但无法充分捕捉缸内燃烧的复杂空间现象，例如局部熄火和混合分层[10]。对于模拟低温燃烧（LTC）等高级燃烧过程，这些具体细节至关重要[11]。为了实现准确的燃烧建模，一些研究使用了ANSYS Forte中的三维模拟，并结合了详细的燃料化学模型（如Chemkin-Pro）[12]。然而，这些研究大多集中在第一代和第二代原料上[13]。
此外，通常采用LTC等先进燃烧策略来减轻生物柴油相关的NOx排放问题[11]。然而，使用高粘度生物燃料实施LTC会产生矛盾的结果，因为这实际上会降低NOx排放[9]。相反，雾化效果不佳往往会导致燃烧不稳定和更高的UHC排放[23]。可变压缩比（VCR）等策略可以稳定这一过程，但可能会无意中重新引入热NOx排放问题。这需要先进的多目标优化来平衡各种权衡。文献表明，多标准决策制定（MCDM）技术（如Grey Relational Analysis (GRA) 和 Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS)）在解决这些冲突和确定最佳运行参数方面非常有效[24]。像Entropy-TOPSIS这样的方法在通过平衡相互冲突的性能和排放标准来确定最佳发动机运行条件方面被证明非常有效[25]。
以往关于藻类生物燃料的研究主要使用了一维热力学模型（如Diesel-RK），而最近的3D发动机燃烧研究（如ANSYS Forte）则成功应用了MCDM来优化传统第一代和第二代燃料的几何形状和运行参数。然而，将这些高保真工具结合起来以克服第三代原料带来的物理雾化障碍的研究仍然很少。基于这一差距分析，本研究的主要假设是：通过动态调整发动机的几何压缩比（CR），可以控制缸内空气动力学剪切力和热力学条件，从而完全抵消生物燃料的固有粘度限制。为了验证这一假设，本研究使用ANSYS Forte对在LTC条件下运行的柴油发动机进行了详细的3D数值分析，该发动机使用的是普通小球藻生物柴油混合物（CME20）作为燃料。
本研究引入了三个关键的方法学进展。首先，它从标准的一维分析转向了详细的69种物种的三维计算流体动力学（CFD）化学求解器，该求解器能够明确捕捉在高度敏感的LTC条件下微藻生物柴油的空间分辨动力学相互作用。其次，虽然现有的3D CFD研究已经独立研究了VCR，但本研究将先进的3D CFD与Entropy-TOPSIS相结合，以解决氧化微藻固有的严重雾化问题。第三，通过引入一个称为平均性能指数（MPI）的全球鲁棒性指标，改进了传统的MCDM框架[26]。该指标能够在广泛的负载当量比（phi）范围内（0.4至0.9）数学上确定一个几何稳定的配置，而不仅仅是找到一个特定的运行点。优化矩阵是使用经过严格验证的数值模型生成的，该模型探讨了三种压缩比（CR 15、16和17）和多个当量比下的喷雾特性、燃烧、性能和排放情况。尽管发动机校准通常涉及优化活塞缸体设计、喷射系统和气流管理，但本研究仅关注CR。CR主要决定了燃料喷射前的整体热力学条件，特别是上止点（TDC）处的温度和密度。鉴于微藻混合物的粘度相关雾化挑战，调整CR是至关重要的第一步。这为实施额外的多参数优化运行策略提供了必要的热基线。
章节摘录
方法
本节描述了用于评估CME20混合物燃烧和排放特性的计算框架。包括选择可靠的化学动力学机制、设置具有指定边界条件的网格，以及彻底验证结果与实验数据的一致性。
结果与讨论
本节详细评估了在特定压缩比（CR 15、16和17）和不同负载点下的CME20生物柴油混合物的性能。通过分析物理喷雾雾化、燃烧热力学、整体发动机性能以及受控排放物的形成，系统地考察了能量转换过程。此外，还展示了Entropy-TOPSIS优化结果，以确定最佳压缩比。
结论
本研究结合了三维数值分析和Entropy-TOPSIS优化方法，评估了在多种负载点（phi 0.4至0.9）下CME20在LTC和VCR策略下的性能。研究目的是评估几何适应性是否可以使CME20实现与柴油基线（CR 16下的D100）相当稳定的LTC性能。得出的结论如下：
•几何压缩比对于克服藻类甲酯的雾化阻力至关重要。
资金来源
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（NRF-2022H1A7A2A02000033）。
CRediT作者贡献声明
Mehedi Hassan Pranta：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论制定、调查、正式分析、数据管理、概念构思、资源准备。Haeng Muk Cho：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。Seong Sik Cheon：概念构思、正式分析、验证、撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢韩国国家研究基金会（NRF）的资助（NRF-2022H1A7A2A02000033）的支持。
