伏軍, 李劍星, 湯遠(yuǎn), 康文杰, 張?jiān)龇? 李煜

(1. 邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004;2. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410082)

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顆粒捕集器噴油助燃再生旋流式燃燒器流場(chǎng)特性分析

伏軍1, 李劍星1, 湯遠(yuǎn)1, 康文杰1, 張?jiān)龇?, 李煜2

(1. 邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004;2. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410082)

顆粒捕集器噴油助燃再生燃燒器內(nèi)的流場(chǎng)分布對(duì)氣流組織及油氣混合有重要影響，而供風(fēng)形式是燃燒器內(nèi)流場(chǎng)特性的主要影響因素之一。為了在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定持續(xù)的回流，促進(jìn)油氣混合進(jìn)程，分別采用雙矩形口切向供風(fēng)和直片式軸向旋流器供風(fēng)兩種供氣形式，設(shè)計(jì)等入口截面面積的兩種供風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在相同發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和補(bǔ)氣條件下對(duì)燃燒器冷流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，兩種供風(fēng)形式均能形成可回流到油氣混合室端面的中心回流區(qū)，軸向旋流器供風(fēng)時(shí)的中心回流區(qū)的長度、最大回流速度、突擴(kuò)位置的重附著區(qū)長度分別比雙矩形口切向供風(fēng)時(shí)大8.11%，5.63%和9.59%，且軸向旋流器供風(fēng)時(shí)的湍動(dòng)能大于雙矩形口切向供風(fēng)。對(duì)比結(jié)果顯示，利用軸向旋流器供風(fēng)更有利于促進(jìn)混合過程的進(jìn)行，對(duì)氣流的組織更合理。

顆粒捕集器； 旋流燃燒器； 再生； 噴油助燃； 流場(chǎng)分布

柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)噴油助燃再生是當(dāng)過濾體碳載量達(dá)到一定程度時(shí)，通過一套特定裝置向過濾體上游噴射燃油并供給新鮮空氣，然后由點(diǎn)火裝置將噴入的燃油點(diǎn)燃，引燃顆粒實(shí)現(xiàn)過濾體再生。這種再生方式具有燃料直接取自油箱、能量利用率高、再生效率高、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊小、適用于含硫量較高的柴油等優(yōu)勢(shì)，在柴油機(jī)后處理中扮演著越來越重要的角色[1-2]。

在DPF噴油助燃再生裝置中，燃燒室的氣流特性直接影響著油氣混合組織優(yōu)劣及后續(xù)的燃燒特性，需要重點(diǎn)加以研究。吁璇設(shè)計(jì)了一種環(huán)形管路為DPF再生燃燒器供風(fēng)，并通過仿真分析了噴油助燃再生系統(tǒng)在不同道路工況下的再生周期及再生效率，為噴油助燃再生系統(tǒng)在柴油車上的使用提供了指導(dǎo)[3]。天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、軍事交通學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種空氣來源于渦輪增壓器的全流式燃燒器，并對(duì)此展開了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究，取得了較好的效果[4-5]。龔金科等設(shè)計(jì)了幾套全流式燃燒器并進(jìn)行了一定的理論研究，針對(duì)油氣配比、熱工參數(shù)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了一系列的數(shù)值及試驗(yàn)研究[6-8]。D.S.Park，J.U.Kim及E.S.Kim等在對(duì)噴油助燃再生的技術(shù)、性能進(jìn)行深入研究并從理論上優(yōu)化了過濾體的再生時(shí)機(jī)判斷和選擇，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一套旁通式DPF噴油助燃再生系統(tǒng)，降低了噴油助燃再生系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)自身工作性能的影響，提高了噴油助燃再生系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值[9-10]。

前期的研究針對(duì)DPF噴油助燃再生設(shè)計(jì)了一種旋流式燃燒器，該燃燒器由兩根關(guān)于過濾體軸線中心對(duì)稱且與油氣混合室相切布置的圓管向燃燒器供風(fēng)，利用“旋流+突擴(kuò)”的方式形成回流，以穩(wěn)定火焰，為噴油助燃再生燃燒器設(shè)計(jì)提供了一種新思路[11]。但由于圓管在燃燒器軸向上的跨度較小，油氣混合效果相對(duì)較差，且在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)回流效果并不理想。本研究將借鑒這種思路，結(jié)合切向引入和導(dǎo)向葉片這兩種常用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流的方法[12-14]，對(duì)DPF再生燃燒器的供風(fēng)形式展開討論，重點(diǎn)討論雙矩形口切向旋流供風(fēng)和軸流式直葉片旋流器供風(fēng)兩種情況下燃燒器內(nèi)的速度、溫度和湍動(dòng)能分布特性，為DPF噴油助燃再生燃燒器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模型介紹

1.1 物理模型

本研究的DPF及其再生用燃燒器主要針對(duì)ZD25TCR4100高壓共軌柴油機(jī)(排量為2.5 L)設(shè)計(jì)，所采用的過濾體為壁流式蜂窩陶瓷，長度為200 mm，直徑為196 mm，體積為6.0 L，孔隙率為0.42。鑒于目前研究的噴油助燃再生裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣主要是沿過濾體軸線引入[15]，這種引入方式在再生時(shí)對(duì)過濾體有較大的熱沖擊，因此，本研究考慮采用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣徑向供入的方式來緩解這種現(xiàn)象，在再生時(shí)由于火焰?zhèn)鞑シ较蚺c發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣供入方向近乎垂直，而發(fā)動(dòng)機(jī)流速較高，可有效避免火焰前鋒對(duì)過濾體的直接沖擊，降低尾氣溫度波動(dòng)對(duì)過濾體的熱損傷。同時(shí)由于單切向入口的初始速度、軸向速度、湍動(dòng)能等偏心分布[16]，故采用雙切向入口為燃燒器供氣。

圖1示出了所研究的兩種供氣形式下的顆粒捕集器噴油助燃再生燃燒器的簡(jiǎn)化模型。兩種燃燒器均可以按照功能分為油氣混合室、燃燒室、過濾體和總排氣四部分。

兩種供風(fēng)形式下,助燃空氣入口的截面情況見圖2。

其中截面長度a為60 mm，截面寬度b為20 mm，噴油嘴安裝孔半徑R為12.5 mm，內(nèi)環(huán)半徑R1為31 mm，外環(huán)半徑R2為43 mm，葉片厚度δ為2 mm，平均葉片寬度α為19 mm，葉片安裝角θ為37°，旋流器長度t為20，葉片數(shù)目n為10，總截面面積2 400 mm2。

1.2 流體計(jì)算模型

由于裝置中的過濾體為壁流式蜂窩陶瓷，空氣流通孔道小，氣體在流經(jīng)過濾體孔道時(shí)受到的阻力較大，因此，進(jìn)行網(wǎng)格劃分前需對(duì)流體域模型進(jìn)行分割并對(duì)該部分單獨(dú)定義。劃分網(wǎng)格時(shí)，除過濾體部分存在特殊性，需要采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，其余部分并不存在特殊結(jié)構(gòu)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格已可以滿足計(jì)算需求。最后需要將各部分網(wǎng)格進(jìn)行合并，交界面處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用正投影方式對(duì)接，使各交界面能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)流通。在雙矩形口切向供風(fēng)情況下，整體網(wǎng)格約有24.8萬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，軸向旋流器供風(fēng)情況下約20萬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。圖3示出了兩種供風(fēng)形式下的網(wǎng)格模型。

1.3 邊界條件與計(jì)算模型

1.3.1 入口邊界條件

根據(jù)DPF的體積及發(fā)動(dòng)機(jī)排量，參照文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果，初步選擇再生時(shí)噴油率為65 g/min，柴油的理想油氣比為11.4，考慮再生時(shí)碳顆粒燃燒需要大量的空氣，適當(dāng)增大供氣量，選擇油氣比為18.5，此時(shí)供入的空氣體積流量為1.2 m3/min。忽略發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)助燃空氣的影響,并根據(jù)入口的截面面積計(jì)算入口的空氣流速。

(1)

式中：Vm為助燃空氣的體積流量，值為1.2 m3/min；ν為供氣速率；A為空氣入口的截面面積，值為2 400 mm2。計(jì)算得到的供氣速率為V1=V2=8.3 m/s。

本研究主要分析冷態(tài)流場(chǎng)，不涉及燃燒反應(yīng)等復(fù)雜過程，在分析時(shí)忽略發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的復(fù)雜成分而將其簡(jiǎn)化為空氣?；谏鲜龊?jiǎn)化處理，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，30%的負(fù)載率時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并以此為廢氣入口初始條件，具體為平均排氣溫度620 K，平均排氣流速16.59 m/s。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[17]，計(jì)算各入口的湍流強(qiáng)度與湍流尺度，結(jié)果見表1。

表1 各入口邊界的湍流強(qiáng)度及湍流尺度

1.3.2 湍流模型

目前，我國各個(gè)地區(qū)尚沒有合理的土地儲(chǔ)備管理模式，再根據(jù)土地儲(chǔ)備行為的主體實(shí)施者是政府，所以以政府為主導(dǎo)的土地儲(chǔ)備管理模式為首選。實(shí)踐充分表明，這種管理模式盡顯優(yōu)勢(shì)，土地儲(chǔ)備管理是政府優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)的重要手段。另外，土地儲(chǔ)備管理的主要對(duì)象是土地一級(jí)市場(chǎng)，而土地的所有權(quán)屬于政府，導(dǎo)致土地一級(jí)市場(chǎng)被完全壟斷，所以結(jié)合這種實(shí)際情況，我國的土地儲(chǔ)備管理制度不能以市場(chǎng)為主導(dǎo)，而是應(yīng)該以客觀實(shí)際為出發(fā)點(diǎn)，也要遵循合理的市場(chǎng)規(guī)律，這樣才有可能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

由于Realizablek-ε模型對(duì)大曲率旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的高精度特性，選擇該模型作為本研究中旋流流場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，其湍動(dòng)能和耗散率輸運(yùn)方程為[18]

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在計(jì)算時(shí)選擇對(duì)湍流瞬態(tài)流適應(yīng)性較強(qiáng)的PISO算法作為主導(dǎo)算法，壓力插值采用適合多孔介質(zhì)流動(dòng)和高度扭曲區(qū)域的PRESTO!離散格式，考慮到多孔介質(zhì)的特殊性，能量、湍動(dòng)能等均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行插值。

2 仿真結(jié)果與分析

回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度是常被用于評(píng)價(jià)旋流燃燒器性能的兩個(gè)指標(biāo)[19]，通常將軸向速度為負(fù)值的區(qū)域定義為回流區(qū)，回流強(qiáng)度則用軸向負(fù)速度的大小進(jìn)行表征[20]。圖4示出了兩種供氣形式下燃燒器中心軸線上的軸向速度曲線圖。由圖可以看出，兩種供氣形式下均能形成較大的中心回流區(qū)，其中軸向旋流器供風(fēng)形式下的中心回流區(qū)長200mm，比矩形口切向供風(fēng)時(shí)大8.11%，兩個(gè)回流區(qū)均從油氣混合室端部一直延續(xù)到發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管中心附近。軸向旋流器供風(fēng)時(shí)中心軸向上最大回流速度為2.44m/s，比雙矩形口切向供風(fēng)時(shí)大5.63%。即軸向旋流器供風(fēng)形式下的回流強(qiáng)度更大，回流的卷吸作用更明顯，更有利于加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣與助燃空氣的混合。

2.1 兩種供風(fēng)形式對(duì)燃燒器內(nèi)速度的影響

從圖5可以看出兩種供氣形式下在突擴(kuò)位置均能夠形成局部回流，這個(gè)漩渦區(qū)能夠有效促進(jìn)燃燒室內(nèi)冷熱氣流的混合，從而提高再生時(shí)火焰的穩(wěn)定性[21]。將在壁面處軸向速度的徑向?qū)?shù)為零的點(diǎn)稱為重附著點(diǎn)，突擴(kuò)回流的重附著點(diǎn)到突擴(kuò)的距離稱為重附著區(qū)長度。重附著區(qū)長度L2決定這個(gè)區(qū)域的大小。軸向旋流器供風(fēng)時(shí)L2=80 mm，比矩形口切向旋流供風(fēng)時(shí)大9.59%，即在軸向旋流器供風(fēng)燃燒器突擴(kuò)位置的油氣混合及火焰穩(wěn)定性優(yōu)于矩形口切向旋流供風(fēng)，加強(qiáng)了油氣混合區(qū)外圍的氣流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，對(duì)保證全局范圍內(nèi)均勻的油氣混合物形成極為有利。

2.2 兩種供風(fēng)形式對(duì)排氣管中心截面速度的影響

圖6示出了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口中心截面上的速度矢量圖。從圖中可以看出，在雙矩形口切向供風(fēng)時(shí)，最大速度為17.14 m/s，出現(xiàn)在燃燒室中心附近。在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管軸線兩側(cè)形成了繞流，其中Y軸負(fù)向的繞流較大，離軸線較近，Y軸正向的回流區(qū)較小，離軸線較遠(yuǎn)。兩個(gè)繞流區(qū)的最大回流速度為4.5 m/s。軸向旋流器供風(fēng)時(shí)最大速度為16.89 m/s，在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管軸線附近Y軸負(fù)向上存在繞流區(qū)，最大繞流速度為4.68 m/s，在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管與燃燒室結(jié)合處也存在小繞流區(qū)。在繞流的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣在廢氣入口管中心與可燃混合氣的混合更加均勻。

2.3 兩種供風(fēng)形式對(duì)過濾體前端溫度的影響

圖7示出了兩種供風(fēng)形式下未進(jìn)行噴油再生時(shí)過濾體前端的溫度云圖(發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣由發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管從圖示左側(cè)供入)，兩種情況下兩條相鄰等高線的溫度差均為2 K。未進(jìn)行噴油助燃再生時(shí)，矩形口切向供風(fēng)時(shí)過濾體前端面的最低溫度為429.5 K，最高溫度為491.7 K，端面上整體溫差為60 K。在正對(duì)廢氣入口且偏向Y軸正向處溫度梯度較大，等高線較密處的平均溫度梯度為8.945 K/cm。軸向旋流器供風(fēng)時(shí)，最高溫度為467.7 K，最低溫度為417.0 K，端面上整體溫差為50 K，等高線較密處的平均溫度梯度為5.764 K/cm。由于兩種供風(fēng)形式下新鮮空氣的旋流方向相同，旋轉(zhuǎn)氣流帶動(dòng)高溫發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣旋轉(zhuǎn)，因此，兩種情況下過濾體端面上的整體溫度分布情況幾乎一致，但軸向旋流器供風(fēng)時(shí)整個(gè)過濾體前端面上的溫度分布相對(duì)較均勻。

2.4 兩種供風(fēng)形式對(duì)湍動(dòng)能的影響

湍動(dòng)能對(duì)于燃燒系統(tǒng)特別重要，它是混合過程的主要能源和驅(qū)動(dòng)力[22]。圖8示出了兩種供風(fēng)形式下的湍動(dòng)能云圖。由圖可以看出，軸向旋流器供風(fēng)時(shí)的整體湍動(dòng)能較雙矩形口供風(fēng)的大，更能促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣與可燃混合氣的混合。其中軸向旋流器供風(fēng)時(shí)的最大湍動(dòng)能為45.88 J/kg，是雙矩形口切向供風(fēng)時(shí)的兩倍，兩種供風(fēng)形式下的最大湍動(dòng)能都出現(xiàn)在油氣混合室與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣管入口交匯處，在該區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣與可燃混合氣混合最均勻，熱量交換最充分。兩種供風(fēng)形式下以發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣入口管為分界，燃燒室靠近油氣混合室一側(cè)的湍動(dòng)能較大，在該區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣與可燃混合氣混合更均勻。

3 結(jié)束語

兩種供風(fēng)形式均能在燃燒室中形成很好的旋流并在油氣混合室和燃燒室中心附近形成一定的中心回流區(qū)，中心回流區(qū)氣流均可回流到噴油嘴所在的位置。該回流有助于加強(qiáng)再生時(shí)的油氣混合并提高火焰穩(wěn)定性，回流到油氣混合室端面附近的高溫?zé)煔饪勺鳛樵偕鷷r(shí)的持續(xù)點(diǎn)火源點(diǎn)燃霧化燃油。軸向旋流器的中心回流區(qū)長度、最大回流速度、油氣混合室部分的湍流強(qiáng)度等均大于雙矩形口切向供風(fēng)，更有利于油氣的充分混合,同時(shí)軸向旋流器供風(fēng)時(shí)過濾體前端面上的溫度梯度分布更加合理。但具體在再生時(shí)的情況仍需進(jìn)一步結(jié)合噴油助燃再生過程進(jìn)行研究。

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[編輯： 姜曉博]

Flow Characteristic Analysis of Swirling Burner for Injection Combustion-supporting Regeneration of DPF

FU Jun1， LI Jianxing1, TANG Yuan1， KANG Wenjie1， ZHANG Zengfeng1， LI Yu2

(1. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China;2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China)

The distribution of flow field in the swirling burner for fuel-injected regeneration diesel particulate filter has important influence on the organization and mixing of airflow and the style of supplying air is one of the main influencing factors. In order to form the steady and continuous backflow in the burner to promote the mixing of fuel and air, the air supply forms of dual rectangle inlet pipe and straight-vane axial swirler were put forward, the corresponding system structures based on the same inlet section were designed, and the simulation of burner cold flow field was carried out under the conditions of the same engine exhaust and air supply. The results show that both air supply forms can form a central backflow zone which can return to the end of the fuel and air mixing chamber. Compared with the dual rectangle inlet pipe, the length of central backflow zone, the maximum backflow velocity and the length of reattachment region in sudden expansion position increases by 8.11%, 5.63% and 9.59% respectively. In addition, the turbulent energy of axial swirler is larger than that of dual rectangle inlet pipe. Accordingly, the axial swirler is more helpful to the proceeding of mixing process and organization of air flow.

diesel particulate filter (DPF)； swirl burner； regeneration； injection supporting combustion； flow field distribution

2016-04-13；

2016-06-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91541121)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015B601)；邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015SY025)

伏軍(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樾⌒惋L(fēng)冷柴油機(jī)性能提高及汽車排放控制技術(shù)；hubeifujun@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.010

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0056-06