倪培永，王向麗

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

大氣濕度對柴油機缸內工質熱物性參數的影響

倪培永1，王向麗2

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

將有關熱物性參數計算表達式嵌入KIVA-3軟件中，這些參數包括壓力、溫度、比熱容、比熱比、比焓、導熱系數、動力粘度、音速、壓縮系數和普朗特數。通過改變進氣成分，計算進氣含濕量分別為0，5，10和20 g/kg時柴油機燃燒過程中缸內工質熱物性參數的變化規(guī)律。計算結果表明，大氣濕度對燃燒溫度、比熱容和普朗特數影響較大，對壓力、比熱比、比焓和音速影響較小，對壓縮系數影響很小。含濕量增加，在高溫時動力粘度和導熱系數兩者稍微增加。

柴油機；含濕量；熱物性參數；模擬

0 引 言

由于天氣、季節(jié)等客觀因素會造成大氣濕度的變化。已有研究結果表明，大氣濕度尤其是高濕度對柴油機排放有重要的影響[1-4]。 這說明濕空氣會對燃燒過程產生一定的影響。 若能研究濕空氣在柴油機燃燒過程中熱物性參數變化規(guī)律，一方面可獲得濕度和熱物性參數之間的定量關系，另一方面可加深了解濕空氣在燃燒過程中所起的物理作用，對燃燒現象給以更詳盡的解釋。

目前，濕空氣熱物性參數的研究多集中于濕空氣透平(HAT)循環(huán)方面，具體的研究包括：計算高濕空氣在高溫高壓區(qū)域內的熱物性參數[5-7]，介紹熱物性參數的計算方法[8]，研究濕空氣擴散燃燒特性[9-10]。然而,對柴油機濕空氣燃燒過程中熱物性參數研究報道并不多?；诖?，本文采用KIVA-3軟件模擬不同含濕量時柴油機燃燒過程熱物性參數規(guī)律。研究結果可為應用進氣加濕方法改善柴油機氮氧排放提供研究依據。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型

計算用柴油機主要技術參數如表1所示。燃燒室結構已經簡化，簡化后的計算網格結構如圖1所示。柴油機噴油器噴孔數為5，為節(jié)省計算時間，故選取燃燒室的1/5作為計算區(qū)域。

大氣濕度有2種表示方式：一種是絕對濕度，即含濕量，另一種是相對濕度，兩者可相互轉換。本文采用含濕量來定義大氣濕度，其定義為1 kg干空氣同時并存的水蒸氣量，單位是g/kg。本文以含濕量為0，5，10和20 g/kg為例進行計算[11]。

表1 柴油機主要技術參數Tab.1 Main parameters of diesel engine

圖1 上止點時計算網格Fig.1 Computational mesh at TDC

1.2 熱物性參數表達式

流體熱物性包括流體的熱力學性質參數和遷移(輸運)性質參數，其中熱力學性質參數除了壓力、溫度外，還包括比熱容、比熱比、比焓壓縮系數、普朗特數、聲速等，而遷移性質參數則包括粘度、導熱系數等。

定壓比熱容

(1)

式中：γ為氣體比熱比；p為氣體壓力；T為氣體溫度；ρ為氣體密度。

比熱比

(2)

式中f(eth)為與比焓有關的函數。

根據Sutherland方程，氣體動力粘度

(3)

式中A1和A2為常數。

導熱系數

(4)

式中為A3和A4為常數。

壓縮系數

(5)

式中v為氣體體積。

比焓

(6)

式中u為比內能。

普朗特數

(7)

當地音速

(8)

式中：k為多變指數；R為氣體常數。

1.3 數學模型和初始、邊界條件

本研究中油滴破碎模型選擇TAB模型，湍流模型為RNGk-ε模型，燃燒模型為Characteristictime模型[11]。計算從進氣門關閉開始(-150°CAATDC)到排氣門打開(124°CAATDC)結束。進氣門關閉時刻氣缸壓力為0.095MPa，缸內溫度為320K。 計算工況：標定轉速；75%負荷。在KIVA-3軟件輸入參數文件itape5中，通過改變H2O的質量分數調節(jié)含濕量。

2 計算結果與分析

2.1 含濕量對熱力學參數的影響

圖2給出了不同含濕量時柴油機缸內工質熱力學參數的變化歷程?？梢钥闯?，含濕量對缸內壓力影響較小，即對柴油機動力性影響不大，但對燃燒溫度有一定的影響。與含濕量為0時相比，含濕量增大到20g/kg時，缸內最高燃燒溫度可降低30K。因此，濕度的增加有利于降低柴油機NOx排放。由于水的比熱容較大，因此含濕量增加時，混合氣比熱容增加，如圖2(c)所示。這就定性、定量解釋了進氣中水蒸汽含量增加后燃燒溫度降低的現象。

比熱比隨曲軸轉角變化情況如圖2(d)所示。比熱比不僅與氣體分子微觀自由度有關，隨自由度增加而減少，而且與溫度有關，隨著溫度的增加而減小。溫度增加，自由度隨之增加，因此比熱比減小。當空氣中含濕量增加時，一方面三原子分子H2O含量增加，雙原子分子氮氣和氧氣含量減少，引起分子自由度增加，導致比熱比減小，另一方面缸內溫度下降，也會導致比熱比減小。

圖2(e)給出了比焓隨曲軸轉角變化的情況。由圖可看出，在壓縮和做功過程中，比焓先增后減，隨著含濕量增加，比焓變化很小。由于比焓與濕度、溫度有關，濕度增加時，比焓增加，但是溫度也減小，因此比焓變化不大。

圖2(f)給出了壓縮系數隨曲軸轉角變化的情況。由圖可見，含濕量對壓縮系數幾乎沒有影響，在壓縮過程中，壓縮系數減小，壓縮難度加大，在上止點時壓縮難度最大，在最大爆發(fā)壓力后，壓縮系數逐漸增加。

普朗特數是流體力學中表征流體流動中能量交換中一個重要參數。普朗特數與動力粘度和比熱成正比，與導熱系數成反比。圖2(g)給出了普朗特數隨曲軸轉角變化的情況。在活塞開始上行時，溫度傳遞速度快，溫度邊界層厚度發(fā)展得快，普朗特數呈下降趨勢，在壓縮階段后期(-50°CA之后)，流動邊界層發(fā)展較快，因此普朗特數又呈增加趨勢。隨著濕度增加，定壓比熱增加較多，導熱系數下降和動力粘度下降幅度相當，因此普朗特數仍增加。

圖2(h)給出了當地音速隨曲軸轉角變化的情況。由于在壓縮和燃燒過程缸內工質狀態(tài)是變化的，因此當地音速也是變化的。濕度增加，缸內溫度和比熱比均減少，因此當地音速減小。

圖2 缸內工質熱力學參數變化規(guī)律Fig.2 Thermodynamic parameters of in-cylinder working fluids with crank angle

2.2 濕度對遷移參數的影響

柴油機缸內工質遷移參數變化規(guī)律如圖3所示。圖3(a)給出了導熱系數隨曲軸轉角變化的情況。由于水的導熱系數小于氮氣和氧氣的導熱系數，因此當含濕量增加時，導熱系數減小。當含濕量增加時，缸內溫度減小，因此氣體導熱系數隨溫度減小而減小，在低溫時影響不明顯，在高溫時影響明顯。圖3(b)給出了動力粘度隨曲軸轉角變化的情況。動力粘度變化趨勢與導熱系數類似，均隨曲軸轉角變化是先增后減。相對于導熱系數，含濕量對動力粘度影響更小。

圖3 缸內工質遷移參數變化規(guī)律Fig.3 Migratory parameters of in-cylinder working fluids with crank angle

3 結 語

1)含濕量對柴油機缸內熱效應影響明顯，含濕量增加，缸內溫度、比熱容和普朗特數下降較多。

2)含濕量對缸內工質壓力、比熱比和比焓影響較小，對壓縮系數影響很小。

3)缸內工質動力粘度與導熱系數變化規(guī)律類似。與低溫時相比，在高溫時隨著含濕量的增加，兩者增加較多。

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Effect of atmospheric humidity on thermal physical parameters of in-cylinder working fluids for diesel engine

Ni Pei-yong1,WANG Xiang-li2

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University,Nantong 226019,China;2.School of Electrical Engineering, Nantong University,Nantong 226019,China)

The expressions of related thermal physical parameters were embedded into KIVA-3 software.Those parameters include pressure, temperature, specific heat, specific heat ratio, specific enthalpy, thermal conductivity, kinetic viscosity, sound velocity, compression coefficient and Prandtl number.By changing inlet gas composition, the thermal physical parameters of in-cylinder working fluids were calculated during diesel combustion at different atmospheric humidity (0, 5, 10 and 10 g/kg).The simulation results show that humidity has important effect on combustion temperature, specific heat and Prandtl number, a little effect on pressure, specific heat ratio, specific enthalpy and sound velocity, and little effect on compression coefficient.With increasing humidity ratio, the thermal conductivity and kinetic viscosity increase slightly at high temperature.

diesel engine; humidity ratio; thermal physical parameters; simulation

2015-04-21；

2015-08-06

中國博士后科學基金資助項目(2013M541613)

倪培永(1977-)，男，博士，副教授，研究方向為內燃機燃料與燃燒。

TK421.1

A

1672-7649(2015)12-0054-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.011