增壓器性能試驗臺燃燒室的流體仿真與性能優化

2018-07-04 05:58:12馬麗芳張衛波

機械制造與自動化 2018年3期

馬麗芳，張衛波

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108)

0 引言

渦輪增壓技術的發展推動了研究人員對車用渦輪增壓器性能試驗臺架的研究并模擬燃料在汽車發動機中的燃燒，燃燒產生的廢氣通入增壓器的渦輪端推動增壓器工作，燃燒室作為系統的關鍵部件，研究發現燃燒情況會對試驗結果產生影響。在對燃燒室的研究中，多數都是針對燃燒點火困難、霧化不良、產生積碳等問題來改進燃燒室的結構。戚墅堰機車車輛工藝研究所通過優化噴嘴孔徑及噴油系統改善了燃燒室點火困難、燃油霧化不良、噪聲嚴重超標等問題[1]。并針對燃燒室積碳問題，通過改進燃燒室的局部結構達到改善目的[2]。

現以增壓器試驗臺架中的燃燒室為研究對象，將實物模型內部結構做一定簡化后，運用計算流體力學分析軟件中的FLUENT對其冷態流場及燃燒過程進行流體仿真，對原本無法捕捉的具體流場進行模擬分析，更直觀地分析燃燒情況，同時通過改變噴油嘴的放置找到相應的優化方案。

1 燃燒室冷態動力場分析

1.1 燃燒室模型

圖1為安裝在臺架上的燃燒器實物外部結構形態。該燃燒器在航空發動機燃燒室的基礎和原理上稍作改進。臺架中，燃燒室的入口通過一些必要的管道與羅茨鼓風機相連，參與燃燒的壓縮空氣由鼓風機鼓入，燃燒室出口通過消音管道等元器件與渦輪增壓器相連，燃燒產生的廢氣由此進入增壓器渦輪端，從而帶動葉輪壓縮空氣。

圖1 試驗臺架中的燃燒室

燃燒室的內部結構與單管燃燒室類似，空氣入口端裝有旋流器，火焰筒設計有主燃孔和補燃孔等，因其結構的復雜性，本文在研究時將其做一定的簡化，如圖2所示。

圖2 燃燒室軸向剖面圖(簡化后)

1.2 燃燒室運行工況

對燃燒室進行流場分析時需要設置相應的邊界條件參數，相關參數的設置越精確具體，仿真的結果越能接近真實。

燃燒室的工況有很多種[3]，現選取較為常用的一種：空氣入口處，風機流量0.143 3 kg/s，噴油壓力0.5 MPa，結合燃燒室模型的實際尺寸，已知流量可求出空氣的流速為6 m/s；燃油入口處，燃油流量為9 m3/min,燃油噴油嘴孔徑是0.8 mm，由此計算出燃油噴射速度為20 m/s。

1.3 求解步驟

FLUENT求解分為前處理、求解設置和后處理3個階段。

前處理階段：運用三維建模軟件建模后，采用ANSYS ICEM CFD 網格劃分軟件對計算域進行區域離散[4]，劃分后的結果如圖3所示。

圖3 燃燒室計算域網格劃分結果圖

求解設置階段：考慮實際的機理，設置相應的求解模型，選用湍湍流模型中的雙方程k-ε模型和離散相DPM模型來模擬混合氣未點燃前的氣液兩相流動[5]。按燃燒室的運行工況數據進行相應的參數設置，求解計算。

后處理階段：在冷態動力場模擬中，抽取計算出的速度分布圖如圖4所示。

圖4 軸向截面z=0速度分布圖

1.4 結果分析

由圖4可知：流場域范圍內，越接近燃燒室出口，動力場的速度越大；從速度等高線分布形狀看，未出現明顯的漩渦，速度分布變化接近梯度變化，由此可猜想在橫向截面上的速度大小幾乎一致，未出現明顯波動。冷態動力場分布和燃燒室的外形設計有關，出現如圖4的速度分布情況的原因是燃燒室內空間的截面圓直徑逐漸變小，而整個過程中鼓風機流量和柴油噴射量不變，空氣的渦流比和湍流強度變大，這就使得混合氣的整體速度變大。

從冷態速度場的良好分布來看，燃燒室的形狀設計合理，適合燃燒的擴散和傳播。

2 燃燒室燃燒過程模擬分析

2.1 求解設置

燃燒室的燃燒模擬相比冷態流場模擬多了燃燒模型的設置，考慮到空氣和燃油從不同入口以射流的形式進入燃燒室內，柴油經霧化、蒸發后與空氣一起點燃燃燒，本文選用非預混燃燒模型來求解。

2.2 結果分析

a) 溫度分布圖分析

由圖5可看出：z=0截面上，在靠近空氣入口處的溫度分布較低，數值在300K～400K之間，基本與空氣溫度一樣，越接近燃燒室出口，溫度越高，最高的可達2 000K左右，由此可推測，燃燒室燃燒集中在后半部分，在空氣入口與燃油入口附近燃燒情況不理想。產生這種現象的原因是：1) 在燃燒室的前部有空氣不斷鼓入和燃油不斷噴射進來，出現掃氣現象將熱量吹到燃燒室后半部分，另外柴油霧化揮發需要吸熱，使得這個區域內溫度較低，不利于燃燒；2) 在靠近空氣和燃料入口的該區域內，空氣和柴油還來不及均勻混合，只有在越往后的空間里它們才有時間混合分布良好，更有利于燃燒。圖5中顯示燃燒室出口處的溫度很高，可見在此處燃燒還比較劇烈，燃燒火焰極有可能竄出燃燒室，這將會影響到整個增壓器性能測試試驗，因此在臺架搭建設計時應當在燃燒室后面多一段冷卻管道，該結論與實際設計吻合。

圖5 軸向截面z=0溫度分布圖

圖6 橫向截面x=300 mm溫度分布圖

由圖6可看出，在x=300mm橫向截面上,接近上壁面區域的溫度較低，越往下，溫度分布逐漸增高，但在越過中心后，出現了溫度較低的一個圓形區域。由此可推測燃燒室的燃燒集中在中心部分，越往外溫度越低，燃燒現象更不明顯。產生這種現象的可能原因是燃油由正上方垂直噴射進燃燒室內，由空氣吹散幫助其霧化，但進來的空氣湍流強度不夠，無法使其霧化揮發后均勻地擴散分布在整個燃燒室區域。要使燃油被很好地均勻分布在燃燒室區域內，需要增大空氣的湍流強度或渦流比，這就需要在空氣入口處增大安裝一個旋流器，使空氣的湍流強度增大，用以吹散燃油，讓其更好地霧化揮發至充滿整個燃燒室區域，才更利于燃燒，提高燃燒效果。因燃燒室在未簡化前在空氣入口是有安裝旋流器的，簡化后的結果表明需要安裝旋流器，這是一個很好的論證證明。

綜合軸向和橫向截面的溫度分布等值線圖，可以得出燃燒室內的燃燒主要集中在燃燒室中心部分和后半部分，越接近壁面，溫度越低，燃燒進行的越困難。從整體的溫度分布來看，還是比較符合常理的。

b) 速度分布圖分析

圖7 軸向截面z=0速度分布圖

由圖7可看出，軸截面上燃燒室前部速度分布較小，中部的等值線呈均勻的梯度變化，變化較為規律，到了接近出口處速度達到最大值。出現這樣的速度分布情況與燃燒原理和燃燒室的內部流場設計有關，在燃燒室的前半部分，空氣和燃油的混合情況不好，越到后面混合氣越均勻，使得燃燒更為劇烈，燃燒室后部分壓力增大；同時燃燒室的直徑尺寸從空氣入口到燃氣出口是逐漸變小的，截面越小，流量不變，則流體速度越大，綜合原因，速度場分布如圖7所示。

由圖8可看出，橫截面上部的速度基本一致，下部分會出現一些波動，而且上部速度比下部更大些。出現此分布的原因可能是，燃燒室上部燃油分布較少，可能還沒燒起來，致使其速度平穩變化，而下部燃油分布較多，燃燒更好，使得該區域速度發生波動。

圖8 橫向截面x=300 mm速度分布圖

3 燃燒室性能優化

燃燒室的性能優化方向定位在改變噴油油束的角度、方位和噴油點個數上，研究中對各種改變后的情形都進行了模擬，現將各結果圖列出，分析對比后得出較好的優化方案。

3.1 溫度分布圖對比分析

從圖9-圖11可看出改變后的模型求解結果分布在大體上的變化趨勢相同，如溫度呈梯度變化，越靠近燃燒室出口溫度越高等。但還是存在差別，這表明改變噴油油束會對燃燒結果產生影響，具體的從圖中可看出：在改變噴油油束角度方面，油束方向向左偏向空氣入口方向溫度分布圖(圖9)會比原型燃燒室的垂直入射要好，這源于改變后的油束與入口處的空氣產生對流，這將有助于燃油的霧化和揮發，因此燃燒效果要好。油束向右偏的溫度結果圖分布(圖10)反而沒有原型燃燒室的好，溫度主要分布在燃燒室中心，整個燃燒室內的燃燒分布不均勻，這源于它的噴油方向順著空氣入口，不利于燃油的霧化揮發。

在原型燃燒室的噴油點所在截面設置兩噴油點，并讓油束以軸向截面為對稱面45°方向互相交錯射入燃燒室(圖11)，這種設置是所有模型設置中溫度流場分布最好的。究其原因，一是增加了一倍的燃油噴射量，使得燃燒室中的燃料充足，更利于燃燒；另一方面，燃油都以一定角度噴入燃燒室內，燃油油束之間彼此影響，利于蒸發，噴射的角度也更利于燃油在燃燒室內的均勻分布。