劉宗寬，劉昌文，衛(wèi)海橋，周磊

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，各國(guó)紛紛制定了越來(lái)越嚴(yán)格的汽車(chē)油耗和排放法規(guī)，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排提出了更高的要求。合理組織缸內(nèi)燃燒以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排最直接、最有效的手段。點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒為預(yù)混湍流燃燒，缸內(nèi)湍流對(duì)可燃混合氣的形成、著火、燃燒和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程有著重要影響。為進(jìn)一步探明湍流對(duì)火焰及燃燒的影響機(jī)理，進(jìn)而通過(guò)控制湍流合理組織缸內(nèi)燃燒，本研究從湍流脈動(dòng)與火焰?zhèn)鞑ハ嗷プ饔玫慕嵌瘸霭l(fā)，通過(guò)數(shù)值仿真的方法進(jìn)行了研究。

目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流的研究，多集中于湍流對(duì)燃燒及點(diǎn)火各參數(shù)的影響。Shy等[1]在甲烷-空氣混合氣中使用PLIF技術(shù)，從點(diǎn)火能量和火焰結(jié)構(gòu)演變的角度，研究了湍流逆流非預(yù)混燃燒中的火花點(diǎn)火對(duì)湍流燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火所需能量隨湍流強(qiáng)度的增大而增大，局部應(yīng)變率對(duì)點(diǎn)火有不良影響。清華大學(xué)霍佳龍等[2]利用定壓球形火焰研究了氫氣/氧氣/氬氣(Le<1)在可燃極限條件下湍流對(duì)點(diǎn)火與火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)在該工況下，湍流有助于可燃?xì)恻c(diǎn)火過(guò)程，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，由于湍流的影響，局部拉伸率大于0的區(qū)域火焰?zhèn)鞑ピ隹?，局部拉伸率小?的區(qū)域火焰?zhèn)鞑ナ艿揭种?，甚至出現(xiàn)局部熄火。清華大學(xué)任祝寅等[3]在發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，使用一維模擬的方法研究了小尺度湍流對(duì)火焰鋒面NOx生成的影響，發(fā)現(xiàn)小尺度渦流可以穿透火焰的預(yù)熱區(qū)，增強(qiáng)混合過(guò)程，在更高的初始?jí)毫ο?，隨著小尺度湍流的增強(qiáng)，火焰前鋒NOx生成量最大可以降低40%。

在火焰與湍流相互作用方面，現(xiàn)有研究大多針對(duì)湍流對(duì)火焰的作用，而火焰對(duì)湍流流場(chǎng)的影響關(guān)注較少。東南大學(xué)楊宏旻[4]應(yīng)用層流激光技術(shù)從湍流渦結(jié)構(gòu)入手，研究了渦運(yùn)動(dòng)與湍流火焰之間的相互作用機(jī)理，推導(dǎo)出了燃燒熱膨脹對(duì)大尺度火焰渦團(tuán)生成有增強(qiáng)和抵消作用。北京交通大學(xué)姜延歡等[5]在定容燃燒彈中研究了湍流強(qiáng)度對(duì)CH4-H2混合氣火焰結(jié)構(gòu)特性的影響，發(fā)現(xiàn)火焰表面的褶皺因子隨著湍流強(qiáng)度的增加而增加；火焰鋒面的局部速度服從正態(tài)分布，且隨著湍流強(qiáng)度的增大，正態(tài)分布的對(duì)稱(chēng)軸逐漸向右側(cè)移動(dòng)。雖然通過(guò)紋影試驗(yàn)的方法可以獲取清晰的火焰鋒面，觀察火焰表面的褶皺情況，但無(wú)法獲取缸內(nèi)湍流流場(chǎng)的分布，而使用數(shù)值仿真的方法可以獲得燃燒室內(nèi)湍流流場(chǎng)的分布，通過(guò)分析火焰面和湍流場(chǎng)的變化，從而得到湍流脈動(dòng)與火焰發(fā)展相互作用的情況。但是現(xiàn)有的研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的大分子燃料的湍流燃燒的深入研究還相對(duì)較少。

因此，本研究通過(guò)大渦模擬研究了發(fā)動(dòng)機(jī)相似工況下異辛烷的湍流燃燒過(guò)程，詳細(xì)研究了湍流強(qiáng)度對(duì)火焰發(fā)展及壓力振蕩的影響，同時(shí)分析了火焰?zhèn)鞑?duì)湍流流場(chǎng)的影響。計(jì)算中采用了G方程湍流模型耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 模型建立

快速壓縮機(jī)燃燒室活塞快速向前移動(dòng)過(guò)程中，活塞會(huì)從燃燒室缸壁上剪切氣體，產(chǎn)生渦旋，引發(fā)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的不均勻性，為了消除該影響，快速壓縮機(jī)一般采用Creviced活塞[6]。本研究中快速壓縮機(jī)燃燒室模型基于清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的快速壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，圖1為Creviced活塞燃燒室示意，燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1[7]。在仿真計(jì)算過(guò)程中，為了考慮活塞達(dá)到上止點(diǎn)后，縫隙可能對(duì)燃燒過(guò)程有影響，故在進(jìn)行模型建立時(shí)，在幾何模型中加入縫隙，縫隙的尺寸與實(shí)際燃燒室活塞相同，當(dāng)壓縮比為9.8時(shí)，縫隙體積占燃燒室總體積的10.5%，通過(guò)一個(gè)楔形通道與燃燒室相連。

圖1 快速壓縮機(jī)燃燒室示意

燃燒室直徑/mm50.8燃燒室高度/mm50.345縫隙高度/mm20縫隙寬度/mm4縫隙通道寬度/mm0.15～0.50當(dāng)量比1燃料種類(lèi)異辛烷點(diǎn)火方式中心點(diǎn)火

試驗(yàn)通過(guò)壓縮比調(diào)節(jié)墊片調(diào)節(jié)壓縮比為9.8，活塞行程為495 mm，計(jì)算得燃燒室高度為56.25 mm。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的壓縮時(shí)間約為30 ms，在壓縮過(guò)程初始階段，溫度上升緩慢，在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，燃燒室內(nèi)部與缸壁之間的散熱量很小，且使用縫隙活塞避免了渦流對(duì)溫度的影響，可以將壓縮過(guò)程假設(shè)為絕熱過(guò)程，初始壁面溫度設(shè)置為300 K，壁面類(lèi)型設(shè)置為L(zhǎng)aw of wall。壓縮開(kāi)始前缸內(nèi)充滿當(dāng)量比為1的異辛烷均勻混合氣，通過(guò)計(jì)算得到混合氣中異辛烷、氧氣、氮?dú)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.23%，21.86%，71.91%。

同時(shí)考慮到計(jì)算精度與計(jì)算成本，采用變時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算方法，步長(zhǎng)范圍為1×10-8～1×10-6s?？紤]到對(duì)湍流脈動(dòng)的捕捉，模型采用1.58 mm基礎(chǔ)網(wǎng)格，在點(diǎn)火中心附近采用4層固定加密，初始網(wǎng)格數(shù)為47.8萬(wàn)，網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2a。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)速度、溫度、反應(yīng)物和主要燃燒標(biāo)志物(OH和H2O2)采用AMR(Adaptive Mesh Refinement)算法，計(jì)算過(guò)程中總網(wǎng)格數(shù)量變化見(jiàn)圖2b。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

1.2 模型驗(yàn)證

本研究使用Converge軟件，計(jì)算了從壓縮上止點(diǎn)后點(diǎn)火開(kāi)始時(shí)的燃燒過(guò)程，為了準(zhǔn)確模擬湍流對(duì)流場(chǎng)的作用，湍流模型采用了大渦模擬(LES)模型，亞網(wǎng)格模型選用一方程Viscous One Equation模型，壁面?zhèn)鳠崮Ｐ筒捎肏an and Reitz模型，計(jì)算格式采用PISO方法。計(jì)算中燃燒模型采用G-Equation模型耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，此模型采用了異辛烷48組分、152步反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[8]，點(diǎn)火模型選用G_EQN模型。

基于以上模型，首先對(duì)本研究所使用的計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3示出了4 ms時(shí)兩種環(huán)境壓力下火焰發(fā)展與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出，此時(shí)得到的火焰面結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)測(cè)得的基本一致。圖4示出了兩種壓力下火焰發(fā)展產(chǎn)生的壓力變化曲線，并與快壓機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。從圖中可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)很好地吻合。因此，采用當(dāng)前的數(shù)值模型可以準(zhǔn)確地模擬火花點(diǎn)火的過(guò)程，也能夠較為準(zhǔn)確地模擬快速壓縮機(jī)燃燒室的燃燒情況，所得數(shù)據(jù)可靠，且可用于分析。

圖3 4 ms時(shí)仿真結(jié)果與試驗(yàn)火焰形態(tài)對(duì)比

圖4 缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值的對(duì)比

2 結(jié)果與分析

基于上述驗(yàn)證過(guò)的仿真模型，研究了上止點(diǎn)初始?jí)毫?.1 MPa和1.4 MPa兩種預(yù)混混合氣中，不同湍流脈動(dòng)對(duì)火焰發(fā)展和傳播的影響。初始湍流假設(shè)為各向同性，并通過(guò)Passot-Pouquet湍動(dòng)能譜給定：

式中：k0=2π/l0，為積分長(zhǎng)度尺寸；u′為湍流脈動(dòng)，u′=(2K/3)1/2,其中K為湍動(dòng)能。圖5示出了t=0時(shí)刻初始湍流脈動(dòng)場(chǎng)。燃燒室的部分仿真初始條件見(jiàn)表2，每種上止點(diǎn)壓力下的4個(gè)工況的初始溫度、初始?jí)毫?、?dāng)量比、點(diǎn)火能量和點(diǎn)火半徑等條件都相同。

圖5 燃燒室初始流場(chǎng)

工況上止點(diǎn)壓力/MPa上止點(diǎn)溫度/K壁面初始溫度/K湍流脈動(dòng)u′/m·s-1A1.16413020.0B1.16413020.5C1.16413021.0D1.16413022.0E1.46413020.0F1.46413020.5G1.46413021.0H1.46413022.0

2.1 湍流脈動(dòng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

在初始?jí)毫?.1 MPa和1.4 MPa兩種工況下，不同初始湍流脈動(dòng)場(chǎng)中，不同時(shí)刻的火焰鋒面(2 000 K溫度等值面)到點(diǎn)火中心的最遠(yuǎn)距離見(jiàn)圖6。由于火焰在4 ms后傳播到近壁面位置，此時(shí)邊界對(duì)火焰?zhèn)鞑ラ_(kāi)始產(chǎn)生影響，所以只討論4 ms之前的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由圖可以看出，無(wú)湍流脈動(dòng)時(shí)火焰?zhèn)鞑プ盥跏級(jí)毫?.4 MPa時(shí)平均速度為5.375 m/s，初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)平均速度為5.875 m/s，而隨著湍流強(qiáng)度增加，火焰鋒面的傳播變得更快，當(dāng)缸內(nèi)存在強(qiáng)湍流脈動(dòng)時(shí)(u′=2.0 m/s)，兩種壓力下缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為8.375 m/s，1.4 MPa工況下相較于無(wú)湍流脈動(dòng)工況增大了42.6%，這是由于湍流脈動(dòng)與火焰相互作用，促進(jìn)了可燃混合氣的燃燒，加快了火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

圖6 火焰鋒面至點(diǎn)火中心最遠(yuǎn)距離隨時(shí)間的變化

從圖6中可以看出，當(dāng)湍流脈動(dòng)為0 m/s時(shí)，即無(wú)初始湍流脈動(dòng)時(shí)，低的初始?jí)毫ο禄鹧鎮(zhèn)鞑ジ欤@是因?yàn)榇藭r(shí)火焰為層流火焰，壓力對(duì)火焰發(fā)展有擠壓作用，壓力越大，對(duì)火焰面的擠壓作用越強(qiáng)烈，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫?，?dāng)初始有湍流脈動(dòng)時(shí)，火焰由層流火焰逐漸轉(zhuǎn)化為湍流火焰。當(dāng)湍流脈動(dòng)小于2.0 m/s時(shí)，初始?jí)毫?.4 MPa的工況相比初始?jí)毫?.1 MPa的工況，湍流脈動(dòng)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懜鼜?qiáng)，這主要是因?yàn)橥牧鞯拇嬖谠黾恿嘶鹧婷娴鸟薨?，?dāng)火焰面褶皺時(shí)，環(huán)境壓力的增加進(jìn)一步增加了火焰面的褶皺，所以燃燒反應(yīng)速度增加。

2.2 湍流脈動(dòng)對(duì)火焰形態(tài)的影響

湍流火焰外側(cè)湍流為大尺度渦團(tuán)，在強(qiáng)湍流下，小尺度渦團(tuán)可能進(jìn)入火焰內(nèi)部改變其結(jié)構(gòu)[9]。為了研究大小尺度湍流渦團(tuán)對(duì)火焰形態(tài)的影響，將初始?jí)毫?.4 MPa下4種不同初始湍流脈動(dòng)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，火焰核心發(fā)展的三維瞬態(tài)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖7 初始?jí)毫?.4 MPa下火焰核心發(fā)展

圖中灰色部分為2 000 K溫度等值面，可以認(rèn)為該等值面為火焰鋒面[10]。點(diǎn)火后1 ms內(nèi)，各湍流強(qiáng)度下火焰形態(tài)發(fā)展類(lèi)似，都近似為球體。無(wú)湍流脈動(dòng)時(shí)(工況E)火焰為一個(gè)光滑的球形，隨著時(shí)間的變化，雖然燃燒熱釋放所引起的熱膨脹對(duì)周?chē)俣葓?chǎng)有影響，使火焰周?chē)乃俣仍龃?，但火焰形態(tài)未有明顯變化，此時(shí)仍為球形火焰。而在有湍流脈動(dòng)時(shí)(工況F/G/H)，點(diǎn)火中心附近的湍流脈動(dòng)在點(diǎn)火過(guò)程中即開(kāi)始與著火過(guò)程及火焰發(fā)展發(fā)生相互作用，雖然在點(diǎn)火后1 ms仍為近似球形，但此時(shí)火焰形態(tài)已經(jīng)略有褶皺。從湍流場(chǎng)可以看出，雖然湍流脈動(dòng)會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生加速作用，但在強(qiáng)湍流一側(cè)，火焰形成和傳播滯后于弱湍流一側(cè)，這是因?yàn)樵邳c(diǎn)火過(guò)程中湍流脈動(dòng)對(duì)點(diǎn)火能量有耗散作用，對(duì)火焰的形成起了抑制作用。之后，隨著火焰鋒面的發(fā)展，火焰由層流火焰逐漸向湍流火焰轉(zhuǎn)化，在有初始湍流場(chǎng)的工況下，火焰面周?chē)牧髅}動(dòng)更加強(qiáng)烈，火焰面與湍流相互作用也越來(lái)越強(qiáng)烈，此時(shí)速度場(chǎng)明顯受到燃燒熱釋放所引起的熱膨脹的影響，同時(shí)火焰面隨著時(shí)間變得更加褶皺。從圖7中可以看出，火焰面褶皺劇烈處(火焰面凸起部分)燃燒更加劇烈，速度更大，引起的火焰前鋒面處流場(chǎng)速度也更大。隨著湍流脈動(dòng)的繼續(xù)增加，火焰速度增加，燃燒膨脹加劇，火焰前鋒面處流場(chǎng)速度也逐漸增加。從試驗(yàn)中可以明顯觀測(cè)到火焰加速在火焰前鋒產(chǎn)生氣流，氣流運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)加速了火焰的發(fā)展[11]。但值得注意的是，燃燒同樣會(huì)增加流體黏性，進(jìn)而降低湍流強(qiáng)度。

當(dāng)湍流脈動(dòng)為2.0 m/s時(shí)，靠近活塞一側(cè)的火焰比靠近燃燒室頂部一側(cè)的火焰?zhèn)鞑ジ?，形變更?yán)重。這是由于燃燒開(kāi)始后，活塞環(huán)槽內(nèi)氣體的溫度壓力未迅速上升，密度低于燃燒室中心區(qū)域，導(dǎo)致燃燒室中心氣體向活塞環(huán)槽中擴(kuò)散，壓力略低于頂部一側(cè)，壓力對(duì)火焰的壓縮作用降低?；鹧骈_(kāi)始變形褶皺后，向外凸起的火焰面對(duì)湍流的加強(qiáng)作用更大，而較強(qiáng)的湍流作用加速了火焰的發(fā)展和變形，湍流和火焰之間的相互作用越發(fā)強(qiáng)烈。

2.3 湍流脈動(dòng)對(duì)燃燒強(qiáng)度的影響

圖8和圖9示出兩種初始?jí)毫ο?，湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)平均溫度和缸內(nèi)最大溫度的影響。由圖可以看出，在點(diǎn)火和燃燒初期階段，湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)平均溫度和缸內(nèi)最大溫度的影響不大，這一階段主要是層流火焰的形成和傳播過(guò)程。隨著火焰的發(fā)展，由層流火焰逐步發(fā)展過(guò)渡為湍流火焰，缸內(nèi)燃燒進(jìn)入快速燃燒期，湍流對(duì)溫度的影響逐漸變大。還可以看出，湍流強(qiáng)度越大，溫度上升越快，這是因?yàn)橥牧鳒u團(tuán)對(duì)火焰面的拉伸和擠壓作用，使火焰面褶皺變形，單位體積內(nèi)火焰面面積變大，燃燒更加迅速。

圖8 湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響

圖9 湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)最大溫度的影響

圖10示出兩種壓力下湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)壓力的影響情況。由圖可以看出，在無(wú)湍流脈動(dòng)和弱湍流脈動(dòng)工況，在2.5 ms左右進(jìn)入快速燃燒階段，而在初始湍流脈動(dòng)為2.0 m/s時(shí)，由于湍流和火焰相互作用，火焰由層流火焰向湍流火焰的過(guò)渡更快，缸內(nèi)氣體進(jìn)入快速燃燒階段的時(shí)間要早，約為2.0 ms。此時(shí)由于湍流對(duì)火焰的加速作用，缸內(nèi)燃燒更迅速，強(qiáng)湍流脈動(dòng)下的缸內(nèi)壓力明顯高于無(wú)湍流和弱湍流脈動(dòng)工況。

圖10 湍流脈動(dòng)對(duì)缸內(nèi)平均壓力的影響

3 結(jié)論

a) 隨著湍流強(qiáng)度增加，湍流對(duì)火焰的作用增強(qiáng)，火焰鋒面變得更加褶皺，火焰前鋒傳播加快，促進(jìn)了可燃混合氣的燃燒;

b) 隨著火焰的發(fā)展，火焰面周?chē)牧髅}動(dòng)更加強(qiáng)烈，火焰面與湍流相互作用也越來(lái)越強(qiáng)烈，此時(shí)速度場(chǎng)明顯受到燃燒熱釋放所引起的熱膨脹的影響，火焰面隨著時(shí)間的發(fā)展變得更加褶皺;

c) 在層流燃燒時(shí)，初始湍流場(chǎng)對(duì)燃燒的影響不明顯，當(dāng)火焰過(guò)渡到湍流階段，湍流對(duì)燃燒的影響逐漸顯現(xiàn)，且隨著湍流脈動(dòng)的增大，對(duì)燃燒的加速效果變得更顯著，燃燒相位提前，表明在發(fā)動(dòng)機(jī)中合理組織湍流燃燒可以提高其熱效率。