楊?燦，李慶旗，龔?濤，成曉北，王英達(dá)

壁面溫度和撞壁距離對柴油噴霧燃燒特性的影響

楊?燦1，李慶旗1，龔?濤2，成曉北1，王英達(dá)1

(1. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2. 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430074)

壁面溫度；撞壁距離；燃燒特性；定容彈；OpenFOAM

在高轉(zhuǎn)速、高噴射壓力、小缸徑柴油機(jī)中，受限于燃燒室?guī)缀纬叽?，噴霧撞壁幾乎無法避免[1-2]．除此之外，在冷啟動條件下，缸內(nèi)環(huán)境差，噴霧蒸發(fā)差，噴油量較正常工況更大，柴油發(fā)動機(jī)噴霧撞壁亦經(jīng)常發(fā)生[3]．噴霧撞壁會影響噴霧的破碎、霧化和蒸發(fā)過程，一方面，撞壁形成的頭部渦流可加速噴霧對空氣的卷吸、促進(jìn)可燃混合氣的形成，另一方面，液相噴霧撞壁所造成的“濕壁”效應(yīng)，一定程度上加劇了碳煙的生成和排放．已有研究表明燃燒后期附壁油膜池火燃燒是碳煙生成的主要原因之一[4]．撞壁所造成的混合氣當(dāng)量比在時間和空間上的不同對后期的燃燒和排放特性產(chǎn)生影響[5-8]．撞壁距離作為影響噴霧/火焰撞壁發(fā)展特性的重要參數(shù)之一，其影響規(guī)律的研究對指導(dǎo)發(fā)動機(jī)燃燒室?guī)缀卧O(shè)計和噴油策略制定有重要意義．

毛立偉等[9]運(yùn)用復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光(PLIEF)技術(shù)，研究了高溫高壓下，撞壁距離對柴油噴霧撞擊平壁后燃油分布特性的影響．研究發(fā)現(xiàn)，隨撞壁距離增大，液相燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，濃混合區(qū)氣相燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，較濃混合區(qū)氣相燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后基本保持不變，稀混合區(qū)氣相燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大．Sato等[10]運(yùn)用一種新型激光全息方法，探究了高壓常溫下，撞壁距離和撞壁角度對噴霧索特平均直徑(SMD)空間分布的影響．結(jié)果表明：與自由噴霧相比，自由射流區(qū)噴霧的SMD基本相同，而在撞壁后壁面射流區(qū)鈍角側(cè)噴霧的SMD更大，銳角側(cè)噴霧的SMD更?。谳^小的撞壁距離下，噴霧在壁面的積聚度更高，鈍角側(cè)噴霧頭部SMD更大．在較小的撞壁夾角下，噴霧撞壁的動量損失較小，對噴霧破碎的影響小，鈍角側(cè)噴霧頭部的SMD更大．

Liu等[11]綜合運(yùn)用高速攝影，Mie散射和紋影法，研究了不同壁面條件下柴油噴霧的著火和燃燒特性，發(fā)現(xiàn)在較小撞壁距離下，撞壁可有效促進(jìn)可燃混合氣的生成，加速火焰發(fā)展，隨撞壁距離增加，滯燃期延長．Li等[12]運(yùn)用激光吸收散射法，在高溫高壓條件下，研究撞壁距離對射流噴霧和火焰發(fā)展特性的影響．研究發(fā)現(xiàn)，在小撞壁距離下，噴霧蒸發(fā)速率較慢，當(dāng)撞壁距離增大到60mm時，噴霧在撞壁前完全蒸發(fā)；隨撞壁距離增大，火焰平均溫度增大，撞壁沖擊對碳煙的生成速率影響較小，但可提高其氧化速率．Imrf等[13]綜合運(yùn)用高速相機(jī)直拍和雙色法，在高溫高壓條件下，研究壁面距離對火焰撞壁燃燒過程和碳煙生成過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨撞壁距離減小，撞壁沖擊對油氣混合的驅(qū)動力增強(qiáng)，碳煙溫度和碳煙含量降低．

1?試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件

1.1?試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)原理

試驗(yàn)在電加熱式高溫高壓定容彈中進(jìn)行，圖1為裝置示意．試驗(yàn)所用噴油器為單孔噴油器，噴孔直徑為0.19mm，所用柴油為0#柴油．研究模擬活塞壁面為平壁，可避免自由射流和壁面次級射流間的相互干擾，減小復(fù)雜性．本研究所用模擬活塞為冷卻水式，壁面溫度由4支同軸薄膜熱電偶測得，熱電偶頂端距壁面0.5mm，根據(jù)4支熱電偶所測平均溫度，調(diào)節(jié)冷卻水流量，實(shí)現(xiàn)壁面溫度的調(diào)節(jié)．模擬活塞冷卻水管與適配器以直通式卡套的方式密封和連接，在彈體常壓、冷態(tài)下，可通過拆卸卡套，將模擬活塞推至相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)撞壁距離的調(diào)節(jié)．

圖1?試驗(yàn)裝置示意

本文基于高速紋影攝影技術(shù)，捕捉自由射流噴霧的氣相貫穿距和撞壁噴霧的鋪展距離，分別用以標(biāo)定數(shù)值模型計算和描述撞壁噴霧發(fā)展過程；基于背光拍攝法，捕捉自由射流液相噴霧貫穿距、觀察4種撞壁模式下液相噴霧濕壁情況；采用廣域低通化學(xué)發(fā)光法，捕捉著火時刻小分子激發(fā)態(tài)自由基CH*、C2*等在能級躍遷時的化學(xué)發(fā)光[16]，以獲得4種撞壁模式下火焰的滯燃期和著火位置；基于ND減光拍攝法，過濾柴油燃燒過程中的化學(xué)光，可近似認(rèn)為只保留碳煙輻射光[17-18]，以獲得4種撞壁模式下的綜合火焰亮度和火焰面積．

1.2?試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況詳見表1，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對嚴(yán)重濕壁、輕微濕壁、臨界濕壁和未濕壁4種撞壁模式的試驗(yàn)研究．首先，通過試驗(yàn)獲得環(huán)境壓力3MPa(環(huán)境溫度850K，N2氛圍)自由射流工況下，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段噴霧液相貫穿距時均值，如圖2所示，基于此，本文選取了25mm、35mm、45mm、55mm等4種撞壁距離，分別對應(yīng)上述4種撞壁模式，如表2所示．

表1?試驗(yàn)工況參數(shù)

Tab.1?Experiment conditions

圖2?自由射流工況下的噴霧液相貫穿距

表2?4種不同撞壁距離

Tab.2?Fourdifferent wall impingement distances

2?OpenFOAM數(shù)值計算模型建立及標(biāo)定

為定量分析多條件下4種撞壁模式對油氣混合特性的影響，揭示試驗(yàn)所描述的火焰撞壁的宏觀規(guī)律．本研究基于OpenFOAM建立定容彈噴霧撞壁的數(shù)值計算模型．計算采用六面體均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，達(dá)到精確計算壁面射流區(qū)的目的，近壁區(qū)域法向進(jìn)行網(wǎng)格加密，圖3為輕微濕壁模式下的網(wǎng)格模型．?dāng)?shù)值計算中，湍流模型、粒子碰撞模型、破碎模型等子模型選擇見表3．

圖3?OpenFOAM網(wǎng)格模型示意

表3?OpenFOAM模型選擇

Tab.3?Model selection in OpenFOAM calculation

圖4?網(wǎng)格適應(yīng)性驗(yàn)證

圖5?數(shù)值仿真模型的標(biāo)定

3?結(jié)果與分析

3.1?不同撞壁模式下的液相噴霧濕壁特性

圖6為背光拍攝法所得到的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段噴射后時刻為0.9ms時，不同撞壁模式下噴霧的液相直拍圖像．高壁溫和常規(guī)壁溫下，嚴(yán)重濕壁和輕微濕壁模式均有明顯的液相噴霧撞壁現(xiàn)象，前者液相燃油附壁現(xiàn)象嚴(yán)重，后者則較為輕微，表現(xiàn)為嚴(yán)重濕壁模式下液相鋪展距離均大于輕微濕壁模式下．而在臨界濕壁和未濕壁模式下，從背光直拍圖中未現(xiàn)液相燃油附壁現(xiàn)象．對比圖6(a)和圖6(b)不同壁面溫度下嚴(yán)重濕壁模式和輕微濕壁模式，可以發(fā)現(xiàn)，相同撞壁模式高壁溫下液相鋪展距離均小于低壁溫下，這是因?yàn)榍罢邍婌F與壁面的溫差較大，壁面熱流量高，附壁噴霧蒸發(fā)速率快．

圖6?不同撞壁模式下液相噴霧背光直拍圖像

3.2?不同撞壁模式下的噴霧著火特性

圖7?不同撞壁模式下的滯燃期

圖8?不同撞壁模式下著火點(diǎn)到壁面滯止點(diǎn)的徑向距離

3.3?不同撞壁模式下火焰發(fā)展特性

結(jié)合圖9(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，兩種壁面溫度下綜合火焰亮度(SINL)隨撞壁距離的增大都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢．Mueller等[20]的研究表明，綜合火焰亮度與碳煙體積分?jǐn)?shù)直接相關(guān)．這表明，在臨界濕壁和未濕壁模式下，火焰燃燒過程中的瞬時碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高．這主要是由于較大的撞壁距離下撞壁所引起的近壁渦流、擾動較弱，油氣速率低，濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，相較于輕微濕壁模式，臨界濕壁模式下，濕壁嚴(yán)重，附壁油膜質(zhì)量大，池火燃燒所生成碳煙量高．整體上相同撞壁模式時常規(guī)壁溫下的綜合火焰亮度小于高壁溫下，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)壁溫下滯燃期相對較長，著火前油氣混合時間更長，著火時濃混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，同時壁面?zhèn)鳠崃看螅紵郎囟鹊?，瞬時碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)?。谌紵掷m(xù)期方面，兩種壁面溫度下，嚴(yán)重濕壁模式和輕微濕壁模式持續(xù)期更長，SINL峰值點(diǎn)后燃燒過程緩慢．

不同撞壁模式下，火焰面積隨時間的變化規(guī)律如圖10所示．與綜合火焰亮度類似，火焰面積隨撞壁距離的增大呈先減小后增大的趨勢．在峰值上，未濕壁模式下火焰峰值面積更大，這與其瞬時碳煙含量更高，可利用燃燒空間更大有關(guān)．而在嚴(yán)重濕壁模式下，雖然其綜合火焰亮度值最高，但是由于其燃燒空間受限，其火焰面積并不是最高值．在輕微濕壁和臨界濕壁下，由于其適中的撞壁距離和空間大小，使得其對自由射流區(qū)和壁面射流區(qū)的空氣利用率較好，瞬時碳煙含量較低，瞬時碳煙空間分布區(qū)域?。c綜合火焰亮度相比，常規(guī)壁溫下對應(yīng)撞壁模式下的火焰面積與高壁溫下相比略小但差值不大，這表明高/常規(guī)壁溫下碳煙在空間的分布區(qū)域大小相當(dāng)，但常規(guī)壁溫下瞬時碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)更?。?/p>

圖9?不同撞壁模式下的綜合火焰亮度

圖10?不同撞壁模式下的火焰面積

3.4?不同撞壁模式下噴霧燃油和溫度分布

圖11?著火時刻4種撞壁模式下當(dāng)量比分布

圖12?ASOI＝1ms時4種撞壁模式下當(dāng)量比分布

不同撞壁模式下流場最低溫度如圖13所示．在高、低兩種壁溫條件下，隨著撞壁距離的減小，噴霧濕壁程度增加，由于噴霧蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致流場最低溫度逐漸下降，臨界濕壁和未濕壁條件下的流場溫度相差不大．這也解釋圖7所示的滯燃期隨撞壁距離增大先增大后減小的第2個原因，即嚴(yán)重濕壁模式下，撞壁距離下，空間狹小，熱空氣含量少，蒸發(fā)時混合氣流場內(nèi)溫度相對較低．對比高、低壁溫條件下的流場溫度變化，可以發(fā)現(xiàn)在低壁溫下ASOI處于[1.15ms，1.6ms]區(qū)間內(nèi)的流場溫度更低，這也是其滯燃期更長的主要原因．

圖13?不同撞壁模式下的流場最低溫度

4?結(jié)?論

(1)隨著壁面溫度升高，滯燃期縮短，火焰面積和火焰綜合亮度增加．且濕壁程度越大，壁面溫度的影響越顯著．

(2)在高壁溫條件下，噴霧撞壁可以促進(jìn)油氣混合，以及著火和燃燒過程，而在壁面溫度較低時則?相反．

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Effects of Wall Temperature and Impingement Distance on Impinged Diesel Spray Ignition and Combustion Characteristics

Yang Can1，Li Qingqi1，Gong Tao2，Cheng Xiaobei1，Wang Yingda1

(1. School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，Wuhan 430074，China)

This study examines experimentally the interactions of wall temperature and impingement distance and their effects on the impinged diesel spray ignition and combustion characteristics in a modified constant-volume combustion chamber. Two wall temperatures of 570K and 800K and four impingement distances that correspond to severe wall-wetting，slight wall-wetting，critical wall-wetting，and non-wall-wetting separately are tested. The results indicate that increasing wall temperature can promote auto-ignition and the following combustion process，denoted by shorter ignition delays and higher flame area and spatially integrated natural luminosity values，but the promotional effect generally weakens with the increase of impingement distance. When the wall temperature is high enough，the spray/wall impingement can accelerate the evaporation of fuel and its mixing with the entrained air，and decreasing the impingement distance will promote auto-ignition and combustion. The trend is basically the opposite in low-wall temperature cases where the cooling effect plays a leading role.

wall temperature；impingement distance；combustion characteristic；constant-volume combustion chamber；OpenFOAM

TK11

A

1006-8740(2023)04-0373-08

10.11715/rskxjs.R202305034

2023-05-31．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51906077).

楊?燦(1986— )，男，博士，副教授.

楊?燦，ycanll@hust.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)