نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

مقایسه الگوریتم‌های فراابتکاری در تعیین ضرایب بهینه آرنیوس برای کاهش مکانیزم سینتیکی دومرحله‌ای احتراق متان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
یکی از چالش‌های مهم در شبیه‌سازی فرایندهای احتراق، تعیین دقیق ضرایب سینتیکی معادله آرنیوس است؛ زیرا این ضرایب تأثیر مستقیمی بر دقت پیش‌بینی نرخ واکنش را دارا هستند. در این پژوهش، چهار الگوریتم فراابتکاری شامل الگوریتم ژنتیک، الگوریتم گرگ خاکستری، الگوریتم ترکیبی ژنتیک–ازدحام ذرات و الگوریتم نهنگ برای بهینه‌سازی دقیق ضرایب معادله آرنیوس به کار گرفته شدند. به‌ منظور ارزیابی عملکرد این الگوریتم‌ها، کاهش مکانیزم دومرحله‌ای احتراق متان به یک مکانیزم تک‌مرحله‌ای به‌عنوان مطالعه موردی انتخاب شد. نوآوری این پژوهش در ارزیابی تطبیقی و هم‌زمان عملکرد الگوریتم‌های مذکور و تعیین مناسب‌ترین روش بر اساس دو معیار ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و زمان اجرا در فضای حل عددی است. نتایج نشان داد که الگوریتم نهنگ با مقدار RMSE برابر 0.03325 دقیق‌ترین عملکرد را در تعیین ضرایب آرنیوس ارائه می‌دهد، درحالی‌که الگوریتم گرگ خاکستری با زمان اجر ا1.89 ثانیه سریع‌ترین عملکرد را دارد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که روش پیشنهادی توسعه یافته علاوه بر کاربرد در کاهش مکانیزم احتراق متان، قابلیت استفاده برای تعیین دقیق ضرایب آرنیوس در سایر واکنش‌های شیمیایی پیچیده را نیز دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of Metaheuristic Algorithms for Determining Optimal Arrhenius Coefficients in the Reduction of a Two-Step Methane Combustion Kinetic Mechanism

نویسندگان English

Alireza Eshaghi
Zeinab Pouransari
Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

one of the significant challenges in simulating combustion processes is the precise determination of the Arrhenius kinetic coefficients, as these parameters directly influence the accuracy of reaction rate predictions. In this study, four metaheuristic algorithms—including the Genetic Algorithm (GA), Grey Wolf Optimizer (GWO), a hybrid Genetic–Particle Swarm Optimization algorithm, and the Whale Optimization Algorithm (WOA)—were employed to optimize the coefficients of the Arrhenius equation. To evaluate the performance of these algorithms, the reduction of a two-step methane combustion mechanism into a single-step mechanism was selected as a case study. The novelty of this research lies in the comparative and simultaneous assessment of the aforementioned algorithms, determining the most suitable method based on two criteria: Root Mean Square Error (RMSE) and computational runtime. The results indicated that the Whale Optimization Algorithm provided the most accurate performance in determining Arrhenius coefficients, with an RMSE of 0.03325, whereas the Grey Wolf Optimizer exhibited the fastest performance with a runtime of 1.89 seconds. The findings suggest that the proposed methodology is not only applicable to the reduction of methane combustion mechanisms but also possesses the potential for determining Arrhenius coefficients in other chemical reactions.

کلیدواژه‌ها English

Arrhenius equation
Genetic Algorithm
Whale Optimization Algorithm
Grey Wolf Optimizer
Genetic-Particle Swarm Optimization