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基于CFD数值模拟平台研究正十二烷高温下的喷雾及燃烧现象

2020-06-18 624 上传者：管理员

摘要：耦合RANS湍流模型、KH-RT破碎模型及SAGE燃烧模型,运用CFD数值模拟平台,对正十二烷在高温定容状态下的喷雾及燃烧现象进行研究。首先进行喷雾模型的标定与验证,确定了适合模拟的最小网格尺寸,然后分析若干边界条件对于正十二烷喷雾着火的影响规律。结果表明,环境压力对正十二烷喷雾尖端平均推进速率的影响程度不大;随着环境温度的升高,正十二烷喷雾的气相贯穿距不断增大,液相贯穿距呈现下降趋势,但变化并不明显;随着环境温度、环境氧浓度的升高,正十二烷喷雾滞燃期在不断地缩短,着火位置越来越靠近喷嘴。

关键词：
喷雾
数值模拟
正十二烷
滞燃期
燃烧
理论化学
着火位置
贯穿距
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以汽油、柴油为燃料的发动机的污染物排放量较高,给生态环境带来不利影响,因此国内外学者一直致力于开发新型环保燃料。正十二烷属于典型的大分子液态直链烷烃,由于其碳值、碳氢比、放热率、蒸发与喷雾等理化特性与柴油相似,对柴油具有良好的替代性,故而受到不少研究者的关注[1,2,3,4,5]。

燃油的喷雾和燃烧特性对发动机的动力性和经济性有着十分重要的作用,但同时它也一直是相关领域的研究难点。直接通过光学测量方法进行研究需要先进的实验条件,成本会很高。随着计算机技术的发展和喷雾燃烧模型的不断完善,采用计算流体力学方法对喷雾和燃烧过程进行数值模拟已得到广泛应用。Senecal等[6]通过数值模拟研究,得出正十二烷喷雾计算模型的最小网格,但作者只分析了网格大小对正十二烷喷雾的影响,并未对其燃烧特性进行研究。Zheng等[7]对正十二烷的喷雾着火进行了数值模拟,研究重点在于气体状态方程与正十二烷着火特性的关系,未涉及环境温度和环境氧浓度对喷雾和燃烧的影响。

本文通过建立定容正十二烷喷雾燃烧模型,采用射流喷雾、湍流混合及有限速率化学动力学等一系列子模型,进行喷雾与燃烧现象的数值模拟研究,主要分析环境压力对正十二烷喷雾尖端平均推进速率的影响,环境温度对正十二烷喷雾贯穿距、滞燃期和着火位置的影响,以及环境氧浓度对滞燃期和着火位置的影响,从而加深对正十二烷喷雾及燃烧的基础物理过程的认识。

1、理论模型

1.1RANS湍流模型

湍流的瞬时流满足流体动力学基本方程Navier-Stokes(N-S)方程,对瞬时速度作雷诺分解,忽略密度脉动,代入N-S方程并对其取平均值得到RANS方程[8]。

本文选用RNGk-ε模型来封闭RANS方程,其中RNGk-ε湍流模型的方程为:

式中:k为湍动能;Uj为流体的速度分量;ν为流体黏性系数;ε为湍能耗散率;S=(2SijSij)1/2为应变力张量Sij的范数;η=Sk/ε;νt=Cμk2/ε为湍流黏性系数;其他参数有C1=1.42,C2=1.68,Cμ=0.0845,α=1/Pr=1.39,η0=4.38,β≈0.012。

1.2KH-RT破碎模型

KH-RT模型对大分子烷烃喷雾特性的描述较为准确可靠,故本文选择该模型进行喷雾模拟。

KH模型中定义分裂时间τKH和分裂后液滴半径rKH分别为:

式中:r0为原始液滴半径;ΛKH为扰动波的波长;ΩKH为扰动波最大增长速率;通过参数优化,取B1=7、B0=0.6。

RT模型中分裂时间τRT和分裂后液滴的半径rRT分别为:

式中:ΛRT和ΩRT分别为最不稳定扰动波的波长和频率;通过计算,参数Cτ=1、CRT=0.15。

1.3燃烧模型

燃烧模型使用SAGE详细化学反应模型,其根据化学反应动力学理论,计算反应机理中每一步基本反应的反应速率,同时求解输运方程,研究者只需提供正确的反应机理即可模拟燃烧,其优点是方便、快捷、准确。本文反应机理包含54个物种和269个基元反应,经过了激波管、快速压缩机等试验装置的验证,适用于正十二烷在高温、高压下的燃烧特性研究。

2、数值模拟

定容弹装置比较适合喷雾燃烧的基础特性研究[9,10]。本文采用RANS湍流模型耦合KH-RT破碎模型及SAGE燃烧模型进行数值模拟,与模拟结果进行比对的实验数据来源于美国Sandia国家实验室(http://www.sandia.gov/ecn/proceed/proceedECN1.php)[11,12]。根据实验装置和实验参数建立了定容弹正十二烷喷雾燃烧的数值模型,定容弹直径为108mm、高为108mm、喷孔直径为0.09mm,喷孔位于定容弹上表面的正中心,初始时定容弹内混合气体配比为n(N2)∶n(CO2)∶n(H2O)=87.63∶10∶2.37。所建模型和模拟喷雾计算的主要参数分别见图1和表1。

本文采用CFD多维数值仿真计算平台来模拟正十二烷喷雾和燃烧现象。CFD软件有自适应加密网格的功能,即可根据计算区域内速度和温度的需求对网格进行自动加密。为了尽量减少计算负荷,只在喷嘴附近区域使用固定加密,通过自适应加密来保证后期计算对网格精度的要求。图2所示为基础网格和自适应加密网格。

图1仿真模型

表1喷雾模拟计算的主要参数

图2计算网格

另外,喷雾和燃烧的数值模拟结果具有一定的网格依赖性,故在正式计算之前先进行网格依赖性检测。液相贯穿距是衡量喷雾性能的一个重要指标,本文中将液相贯穿距定义为沿喷射轴方向液体燃料质量97%这部分所占的轴线距离。通过数值模拟分析了网格大小对正十二烷喷雾液相贯穿距的影响,基础网格取为2mm,自适应加密级数从0级到5级,即从dx=2.0mm到dx=0.0625mm,其中dx表示自适应加密后得到的最小网格尺寸。

图3所示为网格大小对液相贯穿距的影响。从图中可以发现,当dx=0.25mm时,液相贯穿距与实验值误差已经很小;当网格尺寸进一步减小时,液相贯穿距与实验值误差又略有降低。综合平衡计算代价和计算精度,最终选取基础网格为2mm、最小网格为0.25mm进行数值模拟。

图3网格大小对正十二烷喷雾液相贯穿距的影响

3、结果及分析

3.1环境压力对正十二烷喷雾尖端平均推进速率的影响

喷雾尖端的平均推进速率是研究喷雾特性的另一项重要指标,能反映喷雾沿雾化轴发展的快慢程度。图4所示为环境压力对喷雾尖端的平均推进速率的影响,可以发现,不同压力下喷雾尖端的平均推进速率都是先急剧增加,达到峰值后又迅速降低,最终在较低速率范围内达到动态稳定。这是因为正十二烷刚从喷孔喷出时,在喷孔内外的巨大压力差作用下先急剧加速,随着喷雾束体积增大,喷雾轴向推进受阻,进而开始急剧减速,最终喷雾束尖端受到的推力与阻力近似平衡,推进速率保持小幅度波动下的稳定。另外,随着环境压力的增加,喷雾尖端的平均推进速率有所下降,但当环境压力达到8MPa后,其继续增大对喷雾尖端平均推进速率的影响程度较小。

图4环境压力对喷雾尖端平均推进速率的影响

3.2环境温度对正十二烷贯穿距的影响

环境温度影响燃料的雾化效果,对环境温度的合理控制可使燃料充分雾化,提高燃料的利用率和燃烧的热效率。

图5所示为环境温度对正十二烷喷雾气相贯穿距的影响。从图5可以发现,随着环境温度的升高,气相贯穿距在不断增大;当环境温度由1000K上升到1400K时,喷油结束时的气相贯穿距由53mm增加到59mm。

图5环境温度对正十二烷喷雾气相贯穿距的影响

图6所示为正十二烷喷雾液相贯穿距随环境温度的变化曲线。从图6可以发现,液相贯穿距随环境温度的升高虽然有所下降,但是降低幅度并不大。当环境温度从1000K升至1300K时,液相贯穿距下降了约0.5mm,然后随着温度的继续升高,液相贯穿距几乎没有发生变化,这表明当正十二烷处在高温环境中时,温度的升高对其喷雾液相贯穿距的影响很小。

图6环境温度对正十二烷喷雾液相贯穿距的影响

3.3环境温度对正十二烷滞燃期和着火位置的影响

对滞燃期和着火位置的研究可以揭示燃料的喷雾着火规律。本文中,滞燃期定义为从喷射燃料开始到燃料中出现温度T≥2000K的时间,着火位置定义为喷射的燃料出现温度T≥2000K的位置。

环境氧浓度为12%时,不同环境温度下正十二烷喷雾的滞燃期和着火位置的变化情况如图7所示。由图7可知,随着温度的升高,滞燃期不断缩短,当环境温度从1000K升至1400K时,滞燃期由0.486ms降为0.096ms,降幅达80%,这是由物理滞燃期和化学滞燃期的特点所决定的。首先,物理滞燃期是着火前的物理准备过程,正十二烷喷射进入燃烧室内开始雾化蒸发,雾化蒸发的燃油不断地卷吸环境中的热空气,很快便会出现达到着火条件的区域,温度越高,着火所需的局部空燃比就越低,从而就会更早地出现满足着火条件的区域;其次,温度越高化学反应速率就越快,着火本身就是燃油与氧气的剧烈化学反应过程,所以环境温度越高,正十二烷燃烧发生的时间就会越短。

从图7还可以发现,随着环境温度的升高,着火点距离逐渐减小,即着火位置越来越靠近喷嘴。当温度由1000K升至1300K时,着火点距离由35mm降低到12mm,当温度由1300K升至1400K时,着火点距离下降的幅度减小,此时着火位置距离喷嘴约5mm,着火现象几乎是在喷嘴附近开始的。这是因为,温度越高时,着火所需的局部空燃比就越低,靠近喷嘴附近最先形成较浓的混合区域,并发生着火。

图7不同环境温度下正十二烷喷雾的滞燃期和着火位置

图8所示为不同环境温度下正十二烷喷雾着火点距离和液相贯穿距的对比。由图8可见:当环境温度为1000～1330K时,着火点距离大于液相贯穿距;当温度在1330K以上时,着火点距离小于液相贯穿距。这表明在环境温度高于1330K时,正十二烷刚刚喷入定容室内即开始着火,大部分正十二烷来不及蒸发与混合,基本处于“火包油”的状态,这容易引起碳烟等有害排放物的生成。因此在实际发动机燃烧条件下,要适当地控制环境温度,使其处于合理范围之内。

图8不同环境温度下正十二烷喷雾的着火点距离和液相贯穿距的比较

3.4环境氧浓度对正十二烷滞燃期和着火位置的影响

环境氧浓度可以改变着火位置和滞燃期,进而影响燃烧的热效率以及燃烧产生的有害尾气排放量。图9所示为不同环境氧浓度下正十二烷喷雾滞燃期和着火位置的变化情况,此时给定的环境温度为1200K。由图9可以发现:滞燃期和着火点距离随着环境氧浓度的升高而不断减小;当环境氧浓度从9%增至21%时,滞燃期由0.440ms降到0.141ms,着火点距离从32mm降到5mm。

图9不同环境氧浓度下正十二烷喷雾的滞燃期和着火位置

出现上述现象的原因是:在不同环境氧浓度下,正十二烷喷雾扩散发展过程中同一位置卷吸热空气后实际的局部空燃比是不同的,环境氧浓度越高,该处的油气混合效果越好,局部空燃比相对越高,满足着火条件的局部空燃比区域能够更早出现,滞燃期也就越短,并且此时对应的喷雾贯穿距也越小,所以着火位置就越靠近喷嘴。当着火点距离过小时,扩散燃烧占据主导,燃料燃烧不充分,降低了燃烧的热效率,因此要适当控制环境氧浓度。

4、结论

(1)高温环境下正十二烷喷雾尖端的平均推进速率在极短的时间内完成了剧增后速降并最终保持低速率的动态稳定过程,环境压力的增加会使喷雾尖端的平均推进速率下降,但当环境压力超过8MPa后,该速率基本稳定。

(2)随着环境温度的升高,正十二烷气相贯穿距不断增大,液相贯穿距虽有下降的趋势,但是变化并不明显。

(3)随着环境温度和环境氧浓度的升高,正十二烷喷雾滞燃期不断缩短,着火点位置逐渐向喷嘴靠近。滞燃期过短,着火位置过于靠近喷嘴,会大大降低空气与燃油喷雾的混合效果,不利于正十二烷的充分燃烧。

参考文献：

[8]谢茂昭,贾明.内燃机计算燃烧学[M].北京:科学出版社,2017:44-45.

李辉,应保胜,肖干,张光德.高温下正十二烷喷雾及燃烧数值模拟研究[J].武汉科技大学学报,2020,43(03):230-234.

基金:湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA113);湖北省自然科学基金青年基金项目(2017CFB299);湖北省教育厅中青年人才项目(Q20171102).