缸內(nèi)噴霧燃燒CFD仿真模型校驗(yàn)

余宏峰，殷 勇，楊尚麗

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的噴霧燃燒仿真計(jì)算，起到了越來(lái)越重要的作用。缸內(nèi)噴霧仿真用來(lái)做燃燒系統(tǒng)開發(fā)，其仿真結(jié)果是否可以用來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐，即仿真結(jié)果是否可信受到開發(fā)人員的關(guān)注。

CAE工程師通常將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，當(dāng)二者數(shù)據(jù)能夠較好地吻合，通常會(huì)認(rèn)為當(dāng)前仿真模型是準(zhǔn)確的。這種定量的數(shù)值比較只是從一方面反映模型的準(zhǔn)確性。如果模型能夠?qū)Ω變?nèi)噴霧發(fā)展形態(tài)、燃燒火焰運(yùn)動(dòng)過(guò)程有較好的描述，則可以定性認(rèn)為此時(shí)的模型對(duì)缸內(nèi)噴霧燃燒物理現(xiàn)象的反映是準(zhǔn)確的。

獲取缸內(nèi)噴霧燃燒過(guò)程圖像，有利于提高研究人員對(duì)缸內(nèi)過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)校驗(yàn)仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性有著特別重要的意義。本文采用對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾的內(nèi)窺鏡技術(shù)，直接在產(chǎn)品級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行噴霧、燃燒過(guò)程的可視化測(cè)量，獲得噴霧燃燒過(guò)程的時(shí)空變化圖像。用CFD的仿真結(jié)果與燃燒火焰、碳煙濃度進(jìn)行了對(duì)比，校驗(yàn)了缸內(nèi)噴霧燃燒CFD仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

研究中采用某款現(xiàn)生產(chǎn)的重型高壓共軌直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)技術(shù)參數(shù)信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

為了能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)上觀察到缸內(nèi)的燃油噴射和燃燒火焰，需要在缸蓋上加工可視化通路將內(nèi)窺鏡和光源伸入缸內(nèi)進(jìn)行拍攝和照明。由于目前幾乎所有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都采用噴油器中置、四氣門的缸蓋結(jié)構(gòu)，不可避免地需要在活塞上做局部加工，避開光學(xué)視角。如圖1所示，在CAD中完成的可視化系統(tǒng)布置和可觀察到的燃燒室視野范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)上臺(tái)架前，更換缸蓋和測(cè)量缸活塞。

1.2 可視化系統(tǒng)

研究中所采用的可視化系統(tǒng)為基于內(nèi)窺鏡測(cè)量技術(shù)的光學(xué)燃燒攝像系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)自由端安裝曲軸轉(zhuǎn)角編碼器，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的缸蓋上安裝內(nèi)窺鏡和光纖光源。內(nèi)窺鏡前安裝有石英窗，保護(hù)內(nèi)窺鏡不會(huì)接觸高溫高壓燃?xì)狻?nèi)窺鏡后面接一個(gè)CCD相機(jī)，光纖光源與一個(gè)頻閃單元相連，頻閃單元主要用于在燃燒前對(duì)燃油噴射過(guò)程進(jìn)行照明。系統(tǒng)以曲軸轉(zhuǎn)角為單位采集記錄發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射、燃燒火焰圖像。需要說(shuō)明的是，曲軸轉(zhuǎn)角編碼器定義壓縮上止點(diǎn)為0°CA，即可視化系統(tǒng)拍攝的圖像都是以0°CA為基準(zhǔn)，壓縮上止點(diǎn)前為負(fù)角度，壓縮上止點(diǎn)后為正角度。

圖2展示了該系統(tǒng)的臺(tái)架布置情況。

1.3 雙色法

可視化系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的燃燒過(guò)程圖片采用雙色法對(duì)燃燒火焰圖像做進(jìn)一步處理，完成對(duì)火焰溫度場(chǎng)或碳煙濃度變化過(guò)程的分析。其中，雙色法是種傳統(tǒng)的測(cè)高溫的方法。其基本原理在于，測(cè)出火焰發(fā)射出的輻射光在某兩個(gè)波長(zhǎng)上的強(qiáng)度，然后利用由輻射學(xué)建立的兩個(gè)強(qiáng)度與溫度的方程，消去一個(gè)代表輻射率的未知因子，計(jì)算出所要的溫度，再代回原方程中的一個(gè)，算出與碳煙有關(guān)的KL因子。本文采用商業(yè)化軟件對(duì)燃燒火焰圖像做后處理，得到碳煙濃度分布圖像。

1.4 工況條件

受試驗(yàn)條件和可靠性的限制，需要避免燃油噴射不會(huì)接觸到石英保護(hù)窗，防止在石英保護(hù)窗上迅速積累碳煙顆粒，以獲得清晰光學(xué)測(cè)量結(jié)果，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速15%負(fù)荷作為試驗(yàn)基礎(chǔ)工況點(diǎn)。表2列出基礎(chǔ)工況信息。由于CFD仿真中定義壓縮上止點(diǎn)為720°CA，所以表中噴油始點(diǎn)角度是為了方便CFD仿真轉(zhuǎn)換后的角度。

表2 基礎(chǔ)工況信息

2 仿真模型

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

為減少計(jì)算時(shí)間，采用成熟商用軟件FIRE中的ESE模塊建立1/8燃燒室網(wǎng)格模型，如圖3所示。其中，燃燒室模型不包括試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為適應(yīng)可視化設(shè)備而做的相應(yīng)改動(dòng)，但模型中包含使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際壓縮比保持一致的補(bǔ)償容積。

2.2 初始和邊界條件

根據(jù)部分模型的特點(diǎn)，計(jì)算區(qū)間選擇進(jìn)氣門關(guān)閉（IVC）至排氣門開啟（EVO）段工作過(guò)程。計(jì)算初始條件需要進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的缸內(nèi)狀況。進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的氣體壓力來(lái)源于缸內(nèi)壓力實(shí)測(cè)結(jié)果，缸內(nèi)溫度根據(jù)燃燒分析儀的計(jì)算結(jié)果得到。計(jì)算開始時(shí)，缸內(nèi)渦流視為一個(gè)剛性體的旋轉(zhuǎn)。計(jì)算工況點(diǎn)選擇試驗(yàn)基礎(chǔ)工況點(diǎn)，計(jì)算邊界條件采用AVL推薦值，初始條件和邊界條件數(shù)據(jù)列于表3中。

表3 計(jì)算工況的初始條件和邊界條件

2.3 噴霧和燃燒模型

FIRE噴霧模型基于離散液滴法（DDM）。燃油由包含著相同屬性的一些小液滴組成進(jìn)入計(jì)算域，通過(guò)拉格郎日方法在整個(gè)計(jì)算空間對(duì)這些小液滴進(jìn)行時(shí)時(shí)追蹤。本文研究中，采用標(biāo)準(zhǔn)WAVE模型用于描述液滴破碎過(guò)程。

柴油機(jī)燃燒既有預(yù)混燃燒又有擴(kuò)散燃燒，并以擴(kuò)散燃燒為主。FIRE中的ECFM 3Z是適用于柴油機(jī)的相關(guān)火焰模型，其中使用一個(gè)湍流混合模型來(lái)描述油蒸汽和空氣之間的混合過(guò)程。

3 模型校驗(yàn)

3.1 噴霧過(guò)程

由于試驗(yàn)過(guò)程中使用的頻閃冷光源，所以整個(gè)燃油噴射過(guò)程也清晰地記錄下來(lái)。圖4比較了CFD計(jì)算燃油噴射過(guò)程中不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)切片圖與對(duì)應(yīng)角度下的內(nèi)窺鏡拍攝的噴霧圖像。

燃油噴射是燃油吸熱、霧化、蒸發(fā)、與空氣混合的過(guò)程，因此在718°CA時(shí)CFD切片圖上可以看到噴孔附近一小團(tuán)溫度降低區(qū)域，CFD仿真噴射剛剛開始。圖5展示了CFD計(jì)算當(dāng)量比切片圖，對(duì)應(yīng)角度下的當(dāng)量比也非常小。而此時(shí)的噴霧圖像已經(jīng)可以明顯觀察到，通過(guò)比較，噴霧區(qū)域范圍大于CFD切片圖范圍，此時(shí)實(shí)際噴油已經(jīng)開始。

720℃A和722℃A轉(zhuǎn)角下的噴霧圖像中可以清楚看到三束噴射，噴霧進(jìn)一步發(fā)展，噴霧貫穿距增大。溫度場(chǎng)和當(dāng)量比的形態(tài)與噴霧圖像中的噴霧形態(tài)吻合較好。噴霧前端由于蒸發(fā)以及光源照射角度的影響，已經(jīng)變得比較模糊。而當(dāng)量比切片圖上，可以看到燃油著壁的情況發(fā)生。溫度場(chǎng)切片圖上判斷，722℃A燃燒已經(jīng)開始。

3.2 燃燒過(guò)程對(duì)比

圖6比較了CFD仿真燃燒開始過(guò)程不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)切片圖與對(duì)應(yīng)角度下的內(nèi)窺鏡拍攝的燃燒圖像。724℃A的溫度場(chǎng)表明燃燒已經(jīng)開始，對(duì)應(yīng)燃燒圖像可以發(fā)現(xiàn)，燃燒過(guò)程開始于噴霧區(qū)域，而在燃燒室凹坑和中間凸臺(tái)區(qū)域還未著火。隨著活塞下行，由于反擠流作用，在活塞頂面擠流區(qū)出現(xiàn)高溫區(qū)域，同時(shí)由于渦流作用，高溫區(qū)向旋轉(zhuǎn)方向擴(kuò)散。由兩束噴霧形成的燃燒火焰逐漸重合。從圖6中724～732℃A當(dāng)量比切片圖看，燃油逐漸向燃燒室中間凸臺(tái)處運(yùn)動(dòng)，燃燒發(fā)生在燃油濃度較高的周圍。燃燒室內(nèi)火焰面積越來(lái)越大，火焰亮度也在增加。對(duì)比CFD切片圖和燃燒火焰圖像，可以看出CFD結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常相似。

圖7比較了CFD仿真燃燒過(guò)程后期不同曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)切片圖與對(duì)應(yīng)角度下內(nèi)窺鏡拍攝的燃燒圖像。CFD仿真結(jié)果表明，朝活塞中央凸臺(tái)運(yùn)動(dòng)的燃燒室底部的火焰面積越來(lái)越大，燃燒圖像上觀察中央凸臺(tái)已經(jīng)變得困難，然而燃燒圖像上反映的火焰區(qū)域似乎并沒有CFD所反映的區(qū)域大，而且隨活塞下行逐漸減弱。742℃A燃燒火焰停留在燃燒室中的未燃混合氣的地方，對(duì)比圖5中742℃A切片圖是可以看出來(lái)的。

由于742℃A以后的燃燒火焰亮度很低，同時(shí)內(nèi)窺鏡石英保護(hù)窗受到污染，后期的火焰圖像沒有再與CFD結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。但從整個(gè)燃燒過(guò)程的對(duì)比上看，CFD仿真結(jié)果的趨勢(shì)與可視化結(jié)果的吻合程度還是令人滿意的。

3.3 碳煙濃度分布對(duì)比

圖8比較了CFD仿真燃燒過(guò)程中不同曲軸轉(zhuǎn)角下的碳煙濃度分布切片圖與對(duì)應(yīng)角度下內(nèi)窺鏡拍攝的燃燒圖像通過(guò)雙色法計(jì)算得到的碳煙濃度分布圖。基于擴(kuò)散燃燒理論，擴(kuò)散燃燒火焰發(fā)光是依賴于碳煙分布的，只有碳煙生成的區(qū)域才會(huì)有火焰光出現(xiàn)。因此，圖8中CFD計(jì)算得到碳煙濃度分布與圖6、圖7中的溫度場(chǎng)的形態(tài)是接近的。圖8中雙色法計(jì)算得到的碳煙濃度分布與CFD結(jié)果趨勢(shì)也是接近的。724℃A碳煙主要在火焰前鋒面。732℃A時(shí)隨未燃混合氣的移動(dòng)，碳煙開始向活塞中央凸臺(tái)移動(dòng)，此時(shí)碳煙濃度最高。740℃A時(shí)隨著擴(kuò)散燃燒碳煙進(jìn)一步氧化，濃度降低，并進(jìn)一步向凸臺(tái)移動(dòng)。碳煙生成及氧化的整個(gè)過(guò)程，CFD仿真計(jì)算與雙色法計(jì)算燃燒火焰圖像得到碳煙濃度趨勢(shì)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

采用基于內(nèi)窺鏡技術(shù)在產(chǎn)品級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的可視化試驗(yàn)，無(wú)干擾的獲取發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒圖像，從噴霧燃燒發(fā)展過(guò)程的現(xiàn)象學(xué)角度對(duì)CFD仿真模型進(jìn)行了校核。校核結(jié)果表明當(dāng)前CFD模型可以較好的反映噴霧燃燒過(guò)程，檢查了模型的正確性。

［1］劉福水，周磊，陳鑫凱，等.校核和驗(yàn)證（Verification&Validation）準(zhǔn)則在此油機(jī)噴霧和燃燒模擬中的應(yīng)用［J］.AVL中國(guó)用戶大會(huì)，2006.

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