火花点火天然气发动机燃烧过程CFD研究

燃烧,发动机,cfd

第7卷第4期2008年12月

热科学与技术

JournalofThermalScienceandTechnology

Vol.7No.4Dec.2008

文章编号:1671 8097(2008)04 0360 07

火花点火天然气发动机燃烧过程CFD研究

焦运景1, 张惠明1, 杨志勇2, 张自立2, 司鹏昆1

(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072;2东风南充汽车有限公司,四川南充 637000)

摘要:为了研究点燃式天然气发动机燃烧系统的燃烧过程和缸内气体运动规律,应用CFD软件对一台点燃

式天然气发动机的燃烧过程进行了多维模拟计算。通过计算得到了发动机缸内气体的流场、温度场及火焰传播等计算信息,并分析研究了压缩及燃烧过程中缸内气体的流动规律及温度分布规律以及湍动能对火焰传播的影响,为燃烧室的设计及燃烧过程性能优化提供了理论性指导。

关键词:火花点火;天然气发动机;燃烧过程;多维模拟中图分类号:TK43

文献标识码:A

0 引 言

在排放法规与能源危机日益严峻的今天,天然气作为清洁燃料受到广泛重视。天然气的主要成分为甲烷,火焰传播速度较慢,最大火焰传播速度仅为33.8cm/s,而汽油-空气的层流火焰传播速度为39~47cm/s,因而对于火花点火式天然气发动机,组织好缸内燃烧过程,实现正常燃烧,减少后燃至为重要。国内外学者对天然气发动机的燃烧过程进行了一系列探索性研究[1-5],研究发现,湍流强度对火焰燃烧速度有一定影响。因而,研究火花点火天然气发动机缸内的气体流动及燃烧过程,对于改进燃烧室结构,提高火焰传播速度,从而提高发动机的动力性与经济性具有重要指导意义。

本文应用AVL公司的FIRE软件对一台火花点火式CNG发动机的燃烧过程进行了多维模拟研究。计算发动机气缸内的流场、温度场、火焰传播、气缸压力示功图等计算信息,并将缸内流场和压力分布场与相同曲轴转角下不点火的情况进行了对比分析,得到了通过试验无法观测得到的一些详细信息。对优化火花点火式发动机结构改进其燃烧过程起到了指导作用。

1 计算模型及计算方法

1.1 计算模型

内燃机缸内气体的流动十分复杂,为三维可压缩黏性流动,一般都具有相当高的湍流度,因而正确模拟湍流的影响是缸内模拟的关键。本研究中,缸内的气体流动模拟是根据基本的守恒定律,即质量守恒、动量守恒和能量守恒来求解平均输运方程,为使方程组封闭,必须建立模型。本文采用了经过压缩修正的k- 双方程湍流模型,该模型在工程上应用广泛,被证明既经济又实用。由于本文研究的发动机燃烧方式为预混型点火式燃烧,燃烧模型应用了相干火焰模型(coherentflamemodel)。模型中火焰被假设为把反应物与生成物分开的无限薄的表面,燃烧过程为求解输运方程在火焰表面的传播过程。其燃烧速率由火焰面积、层流火焰速率及未燃气体密度决定。该模型最大的优势是对化学反应尺度和湍流尺度进行解耦。该模型的控制方程为 火焰表面密度方程:

tj+-=jjSc xj

!K -

frfu,frL2

fu

(1)

收稿日期:2008 06 22; 修回日期:2008 09 05.

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA11A1B2).

:(-),,,.jiaoyj@

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2.2 几何模型的建立与网格划分

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式中: 为湍流火焰表面密度;Sc 为湍流施密特

t为湍流的运动黏度;K为火焰的平均延伸率;数;

合理的网格划分是保证计算合理性的前提条件,网格生成的好坏直接影响燃烧模拟的准确性。将Pro/Engineer制成的三维模型以stl格式导入FIRE计算软件中,选择通过燃烧室中心轴线的一纵剖面进行面网格的划分。在FIRE中,面网格的生成方法主要有两种,一种是快速网格生成(即自动生成),一种是半自动网格生成。为保证生成质量较好的面网格,采用半自动网格生成法,首先重新划分剖面的边界节点,而后利用FAME技术,自动生成面网格,再手动对网格进行处理

,使网格的划分均匀合理;再应用FAME中的旋转拉伸等工具生成体网格。计算网格示意图如图2所示。本文的网格划分采用的为六面体网格,总的网格数为在下止点(180!CA)为159004个,上止点(360#A)为87982个。

!、 为调节常数,通过调节!、 数值,可改变火焰表面密度;#fr为新鲜气体的密度;wfu,fr为燃料在新鲜气体中所占的质量分数;SL表示层流火焰速度。

燃料物质分数方程:

#fu (uj#fu) t #fu+-=-#frwfu,frSLjjSc#j

fu

(2)

fu为燃料的密度。式中:Sc#fu为湍流施密特数,#

2步燃料消耗机理:

CnHm+(n+)O2 nCO2+H2O(3)

42

CnHm+O2 nCO+H222

1.2 计算方法

常用的数值计算方法有很多,如有限差分法、有限容积法、有限元法、有限分析法、边界元法等。有限容积法是从描写流动问题的守恒型控制方程(积分形式)出发,对它在控制容积上作积分,在积分过程中需要对界面上被求函数的本身(对流通量)及其一阶导数(扩散通量)构成方式作出假设,形成不同的格式。有限容积法导出的方程可以保证具有守恒性,对区域形状的适应性也优于有限差分法,是应用最普遍的一种数值计算方法。

本文应用CFD软件FIRE进行多维模拟,以质量、动量、能量等守恒定律为基础,采用有限容积法将计算域分成若干控制体,分别对每个控制体求解多维N-S方程和各种输运方程。任意拉格朗日欧拉坐标系在软件中用于解决移动网格问题。

(4)

2 数值模拟计算条件及参数

2.1 计算对象

本研究对一台由柴油机改装的火花点火式天然气发动机的最高转速工况进行了模拟分析,其基本参数如表1所示。

表1 发动机基本参数

Tab.1 Basicparameterofengine

发动机类型火花点火

点火时刻/!CA(BTDC)

涡流比1.8

活塞行程/mm转速/(r min)过量空气系数

115缸径/mm活塞顶隙/mm

1.35

3000连杆长度/mm

1.4压缩比2.3 计算初始参数的确定

研究的发动机是由柴油机改装而成的,进气形式为螺旋气道进气,本研究在燃烧模拟中对燃烧过程的模拟从进气门关闭时刻开始计算,到排气门开启前结束。设压缩上止点位置为360!CA,

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则进气门关闭时刻为下止点后39.65!CA,排气门开启时刻为下止点前56.35!CA,即从219.65!CA开始计算,到483.65!CA时结束。计算步长在400!CA前取为0.2!CA,400!CA后因主燃烧期已完成,因而取计算步长为0.5!CA,计算历时89h。

计算初始设缸内压力和温度处处均匀,初始值可由表1得知,气缸的初始边界条件根据经验,设燃烧室壁温为593K,缸盖壁温为553K,缸套壁温为403K。

初始条件中所需的湍流动能值(k)和湍流长度尺度值(L)可分别通过公式计算得到:

k=(3/2) u2

(5)

合理性。在模拟计算中,通过对计算对象初始参数及计算模型中的参数进行调整后,得到与实测结果吻合良好的示功图。如图3

所示。

图3 缸内平均压力曲线

Fig.3

Comparisonofcalculatesandmeasuredpressure

式中:k为湍流动能;u为湍流脉动速度;u=0.25 vm,vm为活塞的平均速度,vm=2 S n/60,其中S为冲程;n为发动机转速。

L=h/2

(6)

式中:L为湍流长度尺度,h为最大气阀升程。

在式(5)和(6)中分别代入相应的值得到:k=12.4m/s;L=0.006083m,程序自动算出湍流扩散率 为1179.5m/s。2.4 模型可行性验证

示功图是检验模型有效性的基本依据之一,通过示功图可以得到发动机的一系列指示参数。本研究首先通过对有实验数据的一台增压式火花点火天然气发动机进行模拟计算,以验证模型的

2

3

2

2

由图3可知,计算结果与实测结果吻合良好。

只是在压力峰值处略有差别。这一方面是由于测量误差等,导致所测压力的不同;另一方面由于计算初始边界条件选取来自于实际值和经验值,因而计算结果也存在一定的误差。但从总体看来,计算结果与实测结果基本上是一致的,因而验证了模型选取的合理性,同时对后续火花点火天然气发动机模拟计算工作中模型参数的设置也给出了依据。

3 计算结果与分析

3.1 缸内流场速度分布

图4展示了上止点附近缸内气体速

度矢量

图4 缸内流场速度分布

Fig.4 Velocitydistributionincylinder

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图。如图4所示,在340!CA时,燃烧室内已有顺时针涡旋存在于活塞顶燃烧室入口处,这是由于此时挤气区挤流较强。随着活塞上行,涡也随之上移,且缸内气体平均速度增大。当活塞上行至上止点时,燃烧室内的涡发生破碎,造成涡破碎的原因主要是由于活塞到上止点时瞬时运动速度为零,缸内气体的流动也会发生变化,使得缸内气体迅速向上翻滚,形成逆挤流。随着活塞下行,缸内容积变大,逆挤流将气体挤入挤气区。由365!CA可以看出燃烧室内的逆挤流相对上止点增强,这有利于火焰向气缸侧壁传播。3.2 缸内气体压力分布

发动机着火后,由于缸内压力、温度、工质成分及密度等均变化很大,且缸内最高压力与燃烧状况密切相关,而最高压力出现的位置与火花定

时,火焰传播速度以及燃烧快慢有关。本研究对气体在燃烧过程中缸内的压力分布进行了模拟与分析,横截面为火花塞点火靠下2mm的截面,即横向截面取y=0.109mm,纵向截面为x=0。

图5为缸内压力的等值线分布图。在点火之前及点火初期,压力在周向分布较均匀,在径向上越靠近气缸边缘,其压力越大。在335!CA时,由于火花塞点火,在点火位置的压力略有增大,这是由于火花塞点火,焰前气体受到压缩。随着燃烧的进行,火焰由火花塞附近的火焰核心向外传播,周向压力分布由点火前的均匀分布过渡到非均匀分布。这主要是由于点火位置偏置,且缸内有涡流的存在,火焰向外传播时使焰前气体受到压缩,但火焰前方的气体量是不均衡的,在周向其压力分布

出现不均匀。

图5 缸内总压分布等线图

Fig.5 Totalpressuredistributionincylinder

3.3 湍动能

湍流强度增大,可以加快火焰传播速度,由于天然气燃料的燃烧速率慢,希望在上止点附近能够获得较大的湍动能。

图6为缸内平均湍动能的变化,图7为缸内湍动能在不同区域不同角度的变化情况。由图6、7可知,湍动能变化为先增大后减小,而后再增大再降低。在压缩初期,缸内湍动能较低,但分布均匀;在压缩冲程后期,由于挤流的作用,缸内气体湍动能上升,由图7可看出:340!CA时,缸内挤流

,图6 缸内平均湍动能曲线

Fig.6 Profileofturbulencekineticenergyincylinder

达到最大值,即缸内平均湍动能第一个峰值出现;随活塞运动速度的降低,湍动能开始下降,这在图

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体流速在压缩过程中因摩擦而很快衰减,使湍动能不断耗散。从图7可以得知,缸壁湍动能较弱,这是由于挤流作用和缸壁的摩擦作用,使缸内气流湍动能不均匀,造成缸壁湍动能较弱。当活塞运动到

上止点后5!CA时,燃烧室外侧开始出现由回流导致的湍流动能增加,此时,缸内平均湍动能第二个峰值出现,

这有利于火焰向气缸壁面的传播。

图7 湍动能分布图

Fig.7 Turbulencekineticenergydistributionincylinder

3.4 温度场分布

该天然气发动机的点火方式为火花点火,点燃包括局部地区的着火和火焰的传播。预混合气流的燃烧过程就是火焰的传播过程。火焰由一点向四周扩散,所以在模拟计算中可以将温度场的变化趋势理解为火焰的传播趋势。火花塞的点火位置为:x=0.002m,y=0.111m,z=0.0097m,图8展示了不同曲轴转角下的温度图(横向截面取y=0.109mm,纵向截面为x=0)。

图8为缸内平均压力与温度的二维图。压力在372.8!CA达到峰值,为9.52MPa;温度在379度时达到最大值,约为2300K

。

本形成火核,因点火位置偏置,因而火焰的传播方向也受到影响。由横剖面图可知,火焰并不是先传播到距点火点最近的位置,这是由于宏观涡流的影响,使得当火焰以球形向四周传播时,在周向有了一个转角。从火焰的传播速度来看,火焰开始阶段,由于火焰前峰面积小,在前峰上进行化学反应的燃料较少,火花塞放电起主导作用,随着火核尺寸的增加,化学反应逐渐起主导作用,使燃烧加快。因而湍流强度大小对火焰形成阶段影响不大,而对火焰的传播过程有重要影响。因而在火焰传播过程中,希望能有较大的湍流。在365!CA时,可明显看出火焰的扩散方向和速度受缸内湍流动能分布的影响,湍流动能强的区域可提高火焰传播速度。根据湍动能的分析,在365!CA时燃烧室的外侧开始出现明显回流现象,由二维图9也可看出,365!CA时,第二个湍动能峰值开始出现,在燃烧室外侧形成了较强的局部湍流动能,火焰前锋开始由底部向燃烧室外侧过渡。随着活塞下行,在380!CA时,火焰基本遍及整个燃烧室。由图9可以看出,在

图8 缸内平均压力与平均温度曲线

Fig.8 Velocitydistributionincylinder

火花塞附近温度最高,这主要是由于火花塞周围的混合气燃烧初期是在低压下燃烧膨胀,而最后在高压下回到原来的体积。所以这部分气体一方面获得,图9为缸内温度的分布情况,由图9可以看!

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图9 缸内温度分布图

Fig.9 Tempreturedistributionincylinder

3)火花塞偏置,则缸内压力、温度及湍动能分

4 结 论

1)首先应用PROE及FIRE软件进行了模型的构建与模拟计算,并将计算结果与实验结果进行比较,验证了模型选取的合理性。

2)通过模拟计算详细展示并分析了缸内速度分布、压力分布、温度场及湍动能分布情况,使在实验中难以观测的现象在模拟计算中得以再现。为改善气体流动状况,提高燃烧过程以及设计新布均受到宏观涡流的影响,使得在横截面上的压力最大值、湍动能最大值与火焰的传播在周向在不同时刻有了一定的偏转。

4)上止点后,活塞向下运动时,缸内逆挤流的形成有助于火焰向气缸侧壁传播。适当增大挤压面,可增大挤流强度,从而提高缸内湍动能,促进火焰传播。

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Multi-dimensionalsimulationofcombustionprocess

inignitionnaturegasengine

JIAO Yun-jing1, ZHANG Hui-ming1, YANG Zhi-yong2, ZHANG Zi-li2, SI Peng-kun1

(1.StateKeyLab.ofEngines,TianjinUniv.,Tianjin300072,China;2.DongfengNanchongAutomobileCo.,Ltd,Nanchong637000,China)

Abstract:Inordertostudythecombustionprocessandgasflowincylinderofaspark-ignitionCNGengine,theCFDsoftwareFIREdevelopedbyAVLisadoptedtosimulatecombustionprocessofaspark-ignitionengine.Withnumericalsimulation,someimportantinformationinthecylinderwhichcouldnotbeacquiredintheexperimentwasobtained,suchasthevelocity,temperaturefieldsandflamepropagation.Furthermore,thecharacteristicofflowfieldandthetemperaturedistributioninthecylinderwereinvestigatedindetail;ontheotherhand,theeffectofturbulentkineticenergyontheflamepropagationwasanalyzedindetail.Theinvestigationabouttheinformationfromnumericalsimulationgivessometheoryguidanceforcombustionchamberdesignandoptimizingcombustionperformance.

Keywords:sparkignition;CNGengine;combustionprocess;multi-dimensionalsimulation

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/srvq.html