金屬/水反應(yīng)燃料內(nèi)燃機定容燃燒仿真計算

安慶友

(69210部隊，新疆喀什844000)

目前，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的設(shè)計技術(shù)已有長足進步，但由于受到燃料本身的制約，內(nèi)燃機燃燒效率的提高遇到了極大阻礙。因此，從燃料的角度出發(fā)進行改進，已成為內(nèi)燃機設(shè)計發(fā)展的新方向。我國在內(nèi)燃機燃料的改進上已開展了許多理論研究，如用氫氣、煤炭以及煤炭派生出來的燃料來代替汽油和柴油，利用提高噴射壓力來實現(xiàn)節(jié)能，通過后處理達到減排的目的等，在金屬/水反應(yīng)燃料方面也有一些理論和實驗研究［1］。在國外，日本在汽車行業(yè)上進行了金屬/水反應(yīng)燃料發(fā)動機的嘗試，但很少對結(jié)構(gòu)和燃料同時進行創(chuàng)新。本文以現(xiàn)有某型內(nèi)燃機為樣本，對其進行結(jié)構(gòu)和燃料的改進，重點研究改進前后2種燃燒室結(jié)構(gòu)的燃燒特性，通過同一燃料下2種模型的對比分析，定量評價改進后內(nèi)燃機動力性能的提高程度。

1 結(jié)構(gòu)與配方

1．1 燃燒室網(wǎng)格模型

本文所指燃燒室是活塞運行至上死點前，壓燃瞬間內(nèi)燃機燃燒室所占有的容積。圖1為某型內(nèi)燃機燃燒室改進前后的網(wǎng)格模型，其中:圖1(a)為改進前模型，其左側(cè)為燃燒室頂部，直徑為150 mm，右側(cè)為底部，呈“W”型;圖1(b)為改進后模型，根據(jù)流體力學(xué)思想和非預(yù)混燃料充分燃燒的要求，利用Fluent軟件進行燃料室結(jié)構(gòu)設(shè)計，呈流線型，該設(shè)計能使燃料充分摻混，燃燒效率高，并為大幅提高發(fā)動機功率提供有力條件。

圖1 燃燒室改進前后網(wǎng)格模型

采用CFD前處理軟件Gambit建立了燃燒室2維模型，利用四邊形和三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，1號燃燒室模型的網(wǎng)格數(shù)為28 728個，2號燃燒室模型的網(wǎng)格數(shù)為11 730個。其中:1號燃燒室模型中，有5個燃料口，直徑為6 mm，位于模型的左側(cè)，上、下兩側(cè)各有一個進水口，直徑為10 mm，右側(cè)W曲線為壓力出口，也就是內(nèi)燃機活塞的頂部;2號燃燒室模型中，有3個燃料口，直徑為6 mm，位于模型的上部，左右兩側(cè)分別有2個進水口，直徑分別為10、10、6、6 mm，底部為壓力出口，也是內(nèi)燃機活塞的頂部。

1．2 燃料組分配方

改進前燃燒室所用燃料為柴油，改進后2種燃燒室統(tǒng)一用金屬/水反應(yīng)燃料，該燃料與柴油相比具有能量高、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，其組分配方為:超細鋁粉末Al(S)、黑索金(RDX)、疊氮(GAP)及水(H2O)［2］。其中:Al(S)中的 S代表粉末;黑索金(RDX)和疊氮(GAP)為添加劑，用于促進氧化和還原。1 kg燃料中各組分質(zhì)量占比如下:

2 數(shù)值模型

2．1 基本假設(shè)

內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)的流動符合質(zhì)量守恒、化學(xué)平衡、動量守恒、能量和組分方程［3］。為簡化分析，做如下假設(shè)。

1)流動準定常。從嚴格意義上講，燃燒室內(nèi)的流動是非定常的，為從定性的角度研究影響燃燒效率的各種設(shè)計參數(shù)，這里設(shè)為準定常。

2)各組分的擴散系數(shù)相同。

3)不考慮重力的影響。

4)假設(shè)燃燒室內(nèi)的氣體為理想氣體，符合狀態(tài)方程

式中:p為氣體壓力;ρ為氣體狀態(tài)參數(shù);R為燃燒產(chǎn)物的平均氣體常數(shù);T為氣體溫度。

2．2 物理模型

金屬/水反應(yīng)燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒機理大體如下:金屬粉末以膏體為載體被推射到燃燒室后，與同時噴射進來的水摻混，在極高的點火溫度(2 800 K左右)下，顆粒液化后燃燒，不斷蒸發(fā)成氣體并參加化學(xué)反應(yīng)，為氣相加入質(zhì)量、動量和能量;同時，金屬/水反應(yīng)燃料的固體顆粒和液滴初始運動速度較慢，對氣相的流動有一定的阻礙作用，金屬顆粒熔化蒸發(fā)為液滴后，隨氣相流動不斷加速向前運動，使得燃燒室內(nèi)流場氣液兩相形成強烈的耦合作用。該耦合作用是通過源項來實現(xiàn)的，液滴作為質(zhì)量源、動量源和能量源加入到氣相方程中，并通過源項來影響氣相流場，而氣相流場又反過來影響其速度場、溫度場及壓力場。

2．2．1 標準 k-ε 模型

式中:ρ為隨時間變化的密度;t為消耗時間;xi、xj分別為坐標變量;k為湍動能;Gk為由于平均梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項;ε為湍動能耗散率;ui為第i種物質(zhì)的運動速度;μ、μt是湍動能黏度;模型常數(shù)C1ε=1．44，C2ε=1．92，σk=1．0。

2．2．2 噴霧模型

選用組射流源group，假定燃料進入燃燒室后立即霧化為液滴，即液滴初始位置在燃燒室燃料入口處，因此可以通過噴嘴模型估算液滴的初始速度分布。其液滴直徑分布通過對噴嘴的冷態(tài)實驗進行測量，滿足Rosin-Rammler分布。將液滴進行分組，每組液滴具有相同的初始尺寸、速度和溫度［4］。

2．2．3 P-I輻射模型

式中:qr為位置向量r上的輻射強度;a為吸收系數(shù);σs為散射系數(shù);C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù);G為入射系數(shù)。

2．3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)文獻［5］，可得如下數(shù)學(xué)模型。

2．3．1 氣相控制方程

連續(xù)方程為

動量方程為

能量方程為

式中:uj為第j種物質(zhì)的運動速度;Yi為組分i的體積分數(shù)，ρYi為該組分的質(zhì)量濃度;τij為應(yīng)力張量;Slf為由于兩相間動量交換而加入的源項;h為流體焓值;D 為組分的擴散系數(shù);Sdm、Sdu、Sdh、SdYi為由于液滴的蒸發(fā)而加入的源項，Sch、ScYi為由于化學(xué)反應(yīng)而加入的源項。

2．3．2 液相控制方程

組分方程為

式中:ug、ud分別為氣相和液滴的速度矢量;ρg、ρd分別為氣相和液滴的密度;Rd為液滴的半徑;CD為阻力系數(shù)。

2．3．3 組分模型

1)化學(xué)反應(yīng)

從該反應(yīng)式中可得出:在理想狀態(tài)下1 kg金屬/水反應(yīng)燃料燃燒的產(chǎn)物中只有7．197 3e-3g氧化氮產(chǎn)物產(chǎn)生。

2)渦耗散(ED)模型

該模型的反應(yīng)速率Ri，k表達式為

式中:Ri，k為第 i種物質(zhì)在第 k個反應(yīng)中的反應(yīng)速率;vi'，k為反應(yīng) k 中反應(yīng)物 i的化學(xué)計量系數(shù);vR'，k為反應(yīng) k 中反應(yīng)物 R 的化學(xué)計量系數(shù);Mw，i、Mw，R分別為第i、R種物質(zhì)的分子量;mp和mR分別為所有產(chǎn)物組分和某一特定反應(yīng)物的質(zhì)量比;R為使得Ri，k為最小時的反應(yīng)物組分;A=4，B=0．5，為經(jīng)驗常數(shù)。

3 仿真計算

3．1 Fluent軟件和 SIMPLE 算法［6］

Fluent軟件是通過數(shù)值計算和圖形顯示的方式對包含流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析，是在基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬。其基本思想是用一系列有限個離散點上變量值的集合來代替原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，并通過一定的規(guī)則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量關(guān)系的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

SIMPLE算法的基本思想是對于給定的壓力場，求解離散形式的動量方程，得出速度場。因為壓力場是假定的或者不精確的，由此得到的速度場一般不滿足連續(xù)方程，故必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是:以壓力場相對應(yīng)的速度為目標函數(shù)進行修正，當滿足連續(xù)方程的精度要求后即停止修正。據(jù)此原則，首先，將由動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，得到壓力修正方程，進而得出壓力修正值;然后，將修正后的壓力場作為給定的壓力場，開始下一循環(huán)的計算;如此反復(fù)，直到獲得收斂解。

3．2 邊界條件［7］

1)入口邊界條件

金屬燃料的入口邊界條件取速度入口模型，采用多點射入方式，氧化劑水入口邊界也設(shè)為速度入口模型。因金屬/水反應(yīng)燃料燃點高，故在初始條件下設(shè)壁面溫度T=1 300 K。射入方向:圖2(a)模型中，燃料取x軸正方向，下側(cè)進水口取y軸正方向，上側(cè)進水口取y軸負方向;圖2(b)模型中，燃料取y軸負方向，左側(cè)進水口取x軸正方向，右側(cè)進水口取x軸負方向。

圖2 2種模型的出口、入口邊界條件

2)出口邊界條件

如圖2所示，出口為內(nèi)燃機活塞的頂部，設(shè)置為壓力出口(Pressure out)模型，出口壓力由內(nèi)部流場推出。表壓設(shè)為“0”，同上，出口溫度T=1 300 K，湍流強度 I=10%，水力直徑為出口直徑尺寸0．01 m，離散項邊界條件選為“escape”。

3)對稱軸邊界條件

各變量在對稱軸處的徑向梯度為0。

3．3 燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與分析

按相同摻混燃料供給量，對2種模型進行流場數(shù)值模擬，燃燒平衡收斂后，其溫度場、壓力場、速度場以及濃度場分析如下［8］。

3．3．1 燃燒室溫度場

圖3為燃燒室改進前后的靜溫云圖。從圖3(a)可以看出:燃燒室在燃料入口處形成高溫區(qū)，而且隨著燃料和水混合燃燒，高溫區(qū)逐漸變窄，最后達到穩(wěn)定溫度，同時右側(cè)等高線過渡平緩，溫度相對穩(wěn)定。從圖3(b)可以看出:燃料從進口處與上側(cè)進水口的水摻混燃燒的區(qū)域?qū)俚蜏貐^(qū)，同時下面進水口的水與已燃物質(zhì)摻混燃燒的區(qū)域也是低溫區(qū)，出口

圖3 燃燒室改進前后的靜溫云圖

處溫度高趨于穩(wěn)定，溫度等高線較為分明，過渡平緩，且高溫區(qū)較長，燃燒充分。

3．3．2 燃燒室壓力場

設(shè)定工作壓力為1個標準大氣壓。圖4為燃燒室改進前后的靜壓云圖。從圖4(a)可以看出:壓力從燃料入口至活塞處呈遞減趨勢，層次分明，過渡平緩，在活塞中間部位存在高壓段，活塞兩側(cè)屬低壓段，最高壓只能達到75 MPa。從圖4(b)可以看出:有5個高壓區(qū)、4個低壓區(qū)，在活塞處形成最高壓，燃燒室最高壓力可達到1 000 MPa左右。

圖4 燃燒室改進前后的靜壓云圖

3．3．3 燃燒室速度場

圖5為燃燒室改進前后的速度矢量云圖。從圖5(a)可以看出:在燃燒室中，氣體的運動速度較小，而在靠近出口處，氣體運動速度迅速增大。從圖5(b)可以看出:燃燒室中間有許多氣體漩渦，中部偏下有一個高速區(qū)，最高可達到7．5e4m/s，之后速度沿等高線呈梯形下降，出口處速度最小。這主要是由于在出口處，燃燒反應(yīng)劇烈完全，大量生成燃燒產(chǎn)物，燃氣的橫向流動和向噴射霧化區(qū)的回流使得燃氣在出口處的流動速度較小。

圖5 燃燒室改進前后的速度矢量云圖

3．3．4 燃燒室濃度場

圖6-10為燃燒室改進前后各組分的質(zhì)量分數(shù)云圖。從圖6(a)-10(a)可以看出:當燃燒達到平衡狀態(tài)后，反應(yīng)物積于入口較多，產(chǎn)物積于活塞頂部兩側(cè)較多，燃料燃燒不充分，如Al(S)最大質(zhì)量分數(shù)6．5e-3為紅色區(qū)域，原因在于摻混不夠均勻。從圖6(b)-10(b)可以看出:當燃燒達到平衡狀態(tài)后，反應(yīng)物幾乎全部轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物，在各燃燒區(qū)域反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物都是最多的，而后以等高線形式平緩遞減，主要是因為燃料摻混均勻、燃燒充分，如Al(S)最大質(zhì)量分數(shù)7．5e-6為紅色區(qū)域，相對1號燃燒室質(zhì)量分數(shù)小，燃燒效率高。

圖6 燃燒室改進前后的Al(S)的質(zhì)量分數(shù)云圖

圖7 燃燒室改進前后的H2 O的質(zhì)量分數(shù)云圖

圖8 燃燒室改進前后的H2的質(zhì)量分數(shù)云圖

圖9 燃燒室改進前后的Al2 O3的質(zhì)量分數(shù)云圖

圖10 燃燒室改進前后的C60H102O21 N60的質(zhì)量分數(shù)云圖

4 結(jié)論

1)按流體力學(xué)設(shè)計思想，通過2種燃燒室結(jié)構(gòu)對比，建立了新燃料內(nèi)燃機燃燒室定容燃燒數(shù)值模擬模型。

2)采用金屬/水反應(yīng)燃料，依托改進后的燃燒室模型，在材料的機械負荷和熱負荷允許的情況下，為實現(xiàn)內(nèi)燃機功率的大幅度提升提供動力條件，同時也能大幅度降低污染指數(shù)，提高經(jīng)濟效益。

3)本文建立的模型比較粗糙，數(shù)值計算方面大都是在理想狀態(tài)下進行的，下一步需建立精細化模型，并創(chuàng)造實驗環(huán)境，以期在理論與實踐的反復(fù)論證中生產(chǎn)出樣機。

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