王秀紅 陳甲武 何 昱

(1.廣西玉柴動力股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 前言

提高壓縮比是提高發(fā)動機(jī)的熱效率和經(jīng)濟(jì)性的有效方式之一，但發(fā)動機(jī)增壓強(qiáng)化所導(dǎo)致的爆燃和超級爆燃等異常燃燒現(xiàn)象不但嚴(yán)重阻礙了小型增壓發(fā)動機(jī)的發(fā)展，并在一定程度上限制了新型燃燒方式的應(yīng)用。

均質(zhì)充量壓縮著火燃燒(HCCI)是一種具有代表性的低溫燃燒方式，具有均質(zhì)混合氣壓燃著火和低溫燃燒的特點(diǎn)。HCCI可以提高發(fā)動機(jī)的熱效率，并且可以有效降低有害物的排放。但在高負(fù)荷下，HCCI容易導(dǎo)致汽油機(jī)的爆燃，這限制了HCCI發(fā)動機(jī)的推廣運(yùn)用。為了抑制爆燃和超級爆燃等異常燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)深入研究其產(chǎn)生的機(jī)理。

在爆燃的早期研究中，Berthelot等[1]認(rèn)為爆燃波中的化學(xué)反應(yīng)是由激波壓縮誘導(dǎo)的。之后，Chapman和Jouguet建立了定量理論(CJ理論)來確定混合物的爆燃速度。由于CJ理論不能描述爆燃波的結(jié)構(gòu)，無法明確爆燃波的傳播機(jī)理。Zeldovich等[2]隨后提出了Zeldovich-Von Neumann-Doring(ZND)模型。該模型對爆燃波的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，即爆燃波是在前導(dǎo)激波面與之后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)形成。

對于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的爆燃產(chǎn)生機(jī)理，目前大部分學(xué)者支持Ricardo在1919年提出的末端氣體自燃理論。該理論認(rèn)為，爆燃的發(fā)生是由于末端混合氣發(fā)生了自燃。劉輝[3]總結(jié)了常規(guī)爆燃和超級爆燃的燃燒過程，并分別針對常規(guī)爆燃和超級爆燃提出了相應(yīng)的抑制策略。Pan等[4]采用大渦輪模擬(LES)方法耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)的求解器和亞格子尺度(SGS)渦流黏度模型，研究了在高壓小型汽油機(jī)中燃料自燃引起的異常燃燒。Ettner等[5]提出了一種新的能夠模擬火焰運(yùn)動加速、爆燃到爆轟的求解器，通過該求解器模擬了二維均質(zhì)氫氣和氧氣在有障礙物的直管內(nèi)火焰運(yùn)動加速、爆燃轉(zhuǎn)爆轟的燃燒過程。Wang等[6]則通過采用單步反應(yīng)的化學(xué)模型和自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化模擬了非均質(zhì)氫氣和氧氣的燃燒。

目前，針對爆燃燃燒過程中壓力波與火焰前鋒的相互作用，以及溫度、壓力對化學(xué)反應(yīng)的影響已有相關(guān)報道[7-12]，但現(xiàn)有研究基本上都是針對一維計算區(qū)域進(jìn)行模擬。本文利用Open FOAM 軟件，采用二維模型，對氣缸內(nèi)氫氣和空氣混合物爆燃燃燒過程緊密關(guān)聯(lián)的末端氣體自燃現(xiàn)象，以及火焰?zhèn)鞑?、自燃、壓力波和溫度的相互作用進(jìn)行研究，探索產(chǎn)生爆燃的機(jī)理。

1 模型的建立與驗證

1.1 計算軟件及方法

采用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件，以及Open-FOAM 軟件中的內(nèi)燃機(jī)求解器(EngineFoam)和基于密度的熱力學(xué)包的化學(xué)反應(yīng)求解器(Rho Reacting-Foam)2種標(biāo)準(zhǔn)求解器進(jìn)行了模擬。此外，還運(yùn)用了適合瞬態(tài)不可壓縮流體的帶算子分裂的壓力隱式(PISO)算法，在基于密度的化學(xué)反應(yīng)求解器中加入了與發(fā)動機(jī)相關(guān)的類別。在氫氣自燃后壓力與溫度變化的研究中，選擇了耦合詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，采用10組分、21步反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理開展研究[13]。

1.2 求解器驗證

為了對求解器進(jìn)行驗證，將網(wǎng)格、初始條件、邊界條件等參數(shù)均設(shè)置成與文獻(xiàn)相同[10]，即計算區(qū)域為二維，壓力為0.455 MPa，溫度為900 K，當(dāng)量比為1.0。在此條件下，模擬了氫氣與空氣混合物的自燃及爆燃。模擬結(jié)果表明，正常燃燒火焰前鋒的速度約在20～60 m/s之間，而自燃火焰前鋒的速度則達(dá)到1 000 m/s以上。同時發(fā)現(xiàn)火焰前鋒在接近右壁面時才發(fā)生自燃，這與文獻(xiàn)中的研究結(jié)果是一致的。表1示出了試驗發(fā)動機(jī)模型的基本參數(shù)。

表1 試驗發(fā)動機(jī)模型的基本參數(shù)

1.3 計算對象及網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域為活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)時的氣缸。氣缸截面可近似為1個長方形區(qū)域，其寬度為92 mm，高度為16 mm。采用總數(shù)為16 000個的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時在計算區(qū)域的左上角設(shè)置了1 個熱點(diǎn)，熱點(diǎn)區(qū)域為邊長5 mm 的正方形。

2 模擬邊界與初始計算條件

將所有計算條件下的當(dāng)量比均設(shè)為1.0，熱點(diǎn)區(qū)域的溫度設(shè)置為2 000 K。初始條件的設(shè)置如表2所示。

表2 初始條件的設(shè)置

3 數(shù)值模擬結(jié)果

在溫度為900 K，壓力為0.10 MPa時，自燃發(fā)生較晚，僅在開始燃燒后的332μs發(fā)生了末端氣體的自燃。圖1為自燃發(fā)生前的熱釋放率，圖2為自燃發(fā)生時的熱釋放率。對比圖1、圖2可知，自燃時的熱釋放率比正常燃燒時的熱釋放率要大，這是由于自燃區(qū)域的壓力更大，溫度更高。

圖1 溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生前的熱釋放率

圖2 溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生時的熱釋放率

圖3示出了溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生前后的壓力變化。從圖3可以看出，末端未燃?xì)怏w受到火焰前鋒的壓縮，呈現(xiàn)出較高的壓力狀態(tài)。

圖3 自燃發(fā)生前后的壓力變化

圖4為自燃發(fā)生前后的溫度變化。由圖4可知，隨著自燃的發(fā)生，氣體燃燒釋放大量的熱量，溫度快速升高，壓力也進(jìn)一步增大。自燃發(fā)生后，正常燃燒的火焰前鋒的壓縮作用并沒有結(jié)束，壓縮作用使得壓力范圍更小，壓力更大。自燃并未發(fā)生在近壁面處，而是發(fā)生在正常燃燒的火焰前鋒附近，這是由于受到火焰前鋒壓縮的未燃?xì)怏w區(qū)域的壓力相差不大，但靠近火焰前鋒處的溫度更高，所以火焰前鋒附近的氣體更容易自燃。在340μs后，已燃區(qū)域在靠近自燃區(qū)域的部分，壓力小幅增大，溫度小幅升高，這是自燃火焰前鋒與正常燃燒火焰前鋒相互作用及自燃產(chǎn)生的壓力波造成的。

圖4 自燃發(fā)生前后的溫度變化

圖5示出了在溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生前的熱釋放率。圖6示出了溫度為1 100 K，壓力為0.10 MPa自燃發(fā)生時的熱釋放率。與圖1和圖2類似，由于壓力波在缸內(nèi)來回振蕩，使得缸內(nèi)壓力增大和溫度升高。在正常燃燒火焰前鋒的擠壓作用下，火焰前鋒附近發(fā)生了自燃。不同之處在于，隨著初始溫度的提高，自燃發(fā)生的時間也提早了。

圖5 溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生前的熱釋放率

圖6 溫度為1 100 K，壓力為0.10 MPa，自燃發(fā)生時的熱釋放率

在溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa的條件下，自燃發(fā)生在170μs。圖7示出了在該計算條件下，自燃后的壓力變化情況。由圖7可知，自燃產(chǎn)生的壓力波不斷增大，在右邊壁面附近達(dá)到最大值。自燃產(chǎn)生的壓力波是朝左右2個方向進(jìn)行傳播的，但是向左是已燃區(qū)域，并不存在壓力波和火焰前鋒的相互耦合，因此壓力并沒有表現(xiàn)出明顯的升高。在220μs時，壓力波在右壁面被反射后向左傳播，但由于經(jīng)過了壓力反射，壓力波能量明顯降低。

圖7 溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃后的壓力變化

比較壓力為0.10 MPa，溫度分別為900 K，1 000 K，1 100 K 時的燃燒計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自燃火焰前鋒的速度隨著溫度的升高不斷提高，其最高速度分別為660 m/s、800 m/s和1 000 m/s以上，但這并不能簡單解釋為提升溫度可以提高自燃火焰前鋒的速度。圖8示出了壓力為0.10 MPa，溫度分別為900 K、1 000 K 和1 100 K 時發(fā)生自燃現(xiàn)象的溫度場。事實(shí)上，當(dāng)溫度為900 K 時，自燃的溫度和壓力都是最高的，其自燃火焰前鋒的速度最低。這是因為在該條件下，自然火焰前鋒與正常燃燒火焰前鋒運(yùn)動方向是完全相反的，它們之間發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致自燃火焰前鋒的速度急劇降低。在發(fā)生自燃時，在該條件下未燃燒的氣體是最少的。自燃釋放出的熱量少于另外2個算例，這也是自燃火焰前鋒速度較低的原因之一。

圖8 溫度分別為900 K、1 000 K 和1 100 K，自燃發(fā)生時的溫度場

將壓力提高到0.20 MPa和0.30 MPa時，燃燒過程發(fā)生了明顯的變化。在0.10 MPa時，正常燃燒火焰前鋒的速度低于100 m/s，只有自燃的火焰前鋒才會達(dá)到較高的速度，這與文獻(xiàn)中一維計算區(qū)域的計算結(jié)果[7，9-10]是一致的。但在壓力提高到0.20 MPa以上時，正常燃燒火焰前鋒的速度則達(dá)到了1 000 m/s以上，這與一維計算域的計算結(jié)果不同。

圖9示出了溫度為1 100 K，壓力分別為0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，自燃發(fā)生時的溫度場。從圖9可知，當(dāng)壓力為0.20 MPa和0.30 MPa時，已燃區(qū)的溫度明顯高于壓力為0.10 MPa時的溫度。當(dāng)壓力提高到0.20 MPa以上時，缸內(nèi)氣體自燃發(fā)生的狀況可以由氫氧爆炸極限的理論進(jìn)行解釋[14]，即提高壓力對鏈分支反應(yīng)與鏈中斷反應(yīng)的競爭產(chǎn)生了影響，較高的壓力使得鏈分支反應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，放熱加劇，已燃區(qū)溫度及壓力提高，大大提高了燃燒火焰前鋒的速度。另一個變化是，當(dāng)壓力提高到0.20 MPa以上時，在900 K 和1 000 K的初始溫度下，缸內(nèi)氣體并不會發(fā)生自燃。當(dāng)壓力為0.20 MPa，溫度為900 K 和1 000 K時，燃燒過程與壓力為0.30 MPa時的燃燒過程非常相近，正常燃燒的火焰前鋒逐漸加速達(dá)到1 000 m/s以上，之后火焰?zhèn)鞅楦變?nèi)，但并沒有發(fā)生自燃。這是由于正常燃燒火焰前鋒的速度大幅提高，未燃?xì)怏w還在滯燃期內(nèi)，而火焰前鋒就已經(jīng)將其引燃了。在壓力為0.05 MPa，溫度為900 K 的條件下，缸內(nèi)氣體也發(fā)生了自燃，其燃燒過程與壓力為0.10 MPa時的狀況類似。

圖9 壓力分別為0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，在自燃發(fā)生時的溫度場

4 結(jié)論

以活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)時的氣缸截面作為計算區(qū)域，模擬了不同壓力增大、不同初始溫度條件下的爆燃燃燒過程，得出了以下主要結(jié)論。

(1)自燃發(fā)生先是由于壓力波在缸內(nèi)來回振蕩，使得缸內(nèi)壓力、溫度升高，之后在正常燃燒火焰前鋒的擠壓作用下，火焰前鋒附近發(fā)生了自燃。

(2)在自燃發(fā)生后，正常燃燒的火焰前鋒的壓縮作用并沒有結(jié)束，壓縮作用使得高壓范圍更小，但壓力更大。

(3)自燃并未發(fā)生在近壁面處，而發(fā)生在正常燃燒的火焰前鋒附近。已燃區(qū)域在靠近自燃區(qū)域的部分，壓力和溫度都有小幅升高。

(4)計算區(qū)域的維數(shù)對基元反應(yīng)之間的競爭具有影響。