湍流強度對火焰傳播影響的大渦模擬研究

劉宗寬，劉昌文，衛海橋，周磊

(天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

隨著能源危機和環境污染的日益嚴重，各國紛紛制定了越來越嚴格的汽車油耗和排放法規，因此對發動機的節能減排提出了更高的要求。合理組織缸內燃燒以提高發動機的熱效率是發動機節能減排最直接、最有效的手段。點燃式發動機缸內燃燒為預混湍流燃燒，缸內湍流對可燃混合氣的形成、著火、燃燒和火焰傳播過程有著重要影響。為進一步探明湍流對火焰及燃燒的影響機理，進而通過控制湍流合理組織缸內燃燒，本研究從湍流脈動與火焰傳播相互作用的角度出發，通過數值仿真的方法進行了研究。

目前對發動機缸內湍流的研究，多集中于湍流對燃燒及點火各參數的影響。Shy等[1]在甲烷-空氣混合氣中使用PLIF技術，從點火能量和火焰結構演變的角度，研究了湍流逆流非預混燃燒中的火花點火對湍流燃燒的影響，發現點火所需能量隨湍流強度的增大而增大，局部應變率對點火有不良影響。清華大學霍佳龍等[2]利用定壓球形火焰研究了氫氣/氧氣/氬氣(Le<1)在可燃極限條件下湍流對點火與火焰傳播過程的影響，發現在該工況下，湍流有助于可燃氣點火過程，在火焰傳播過程中，由于湍流的影響，局部拉伸率大于0的區域火焰傳播增快，局部拉伸率小于0的區域火焰傳播受到抑制，甚至出現局部熄火。清華大學任祝寅等[3]在發動機工況下，使用一維模擬的方法研究了小尺度湍流對火焰鋒面NOx生成的影響，發現小尺度渦流可以穿透火焰的預熱區，增強混合過程，在更高的初始壓力下，隨著小尺度湍流的增強，火焰前鋒NOx生成量最大可以降低40%。

在火焰與湍流相互作用方面，現有研究大多針對湍流對火焰的作用，而火焰對湍流流場的影響關注較少。東南大學楊宏旻[4]應用層流激光技術從湍流渦結構入手，研究了渦運動與湍流火焰之間的相互作用機理，推導出了燃燒熱膨脹對大尺度火焰渦團生成有增強和抵消作用。北京交通大學姜延歡等[5]在定容燃燒彈中研究了湍流強度對CH4-H2混合氣火焰結構特性的影響，發現火焰表面的褶皺因子隨著湍流強度的增加而增加；火焰鋒面的局部速度服從正態分布，且隨著湍流強度的增大，正態分布的對稱軸逐漸向右側移動。雖然通過紋影試驗的方法可以獲取清晰的火焰鋒面，觀察火焰表面的褶皺情況，但無法獲取缸內湍流流場的分布，而使用數值仿真的方法可以獲得燃燒室內湍流流場的分布，通過分析火焰面和湍流場的變化，從而得到湍流脈動與火焰發展相互作用的情況。但是現有的研究對發動機工況下的大分子燃料的湍流燃燒的深入研究還相對較少。

因此，本研究通過大渦模擬研究了發動機相似工況下異辛烷的湍流燃燒過程，詳細研究了湍流強度對火焰發展及壓力振蕩的影響，同時分析了火焰傳播對湍流流場的影響。計算中采用了G方程湍流模型耦合詳細化學反應動力學。

1 模型建立與驗證

1.1 模型建立

快速壓縮機燃燒室活塞快速向前移動過程中，活塞會從燃燒室缸壁上剪切氣體，產生渦旋，引發溫度場和速度場的不均勻性，為了消除該影響，快速壓縮機一般采用Creviced活塞[6]。本研究中快速壓縮機燃燒室模型基于清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室的快速壓縮機試驗平臺，圖1為Creviced活塞燃燒室示意，燃燒室結構參數見表1[7]。在仿真計算過程中，為了考慮活塞達到上止點后，縫隙可能對燃燒過程有影響，故在進行模型建立時，在幾何模型中加入縫隙，縫隙的尺寸與實際燃燒室活塞相同，當壓縮比為9.8時，縫隙體積占燃燒室總體積的10.5%，通過一個楔形通道與燃燒室相連。

圖1 快速壓縮機燃燒室示意

燃燒室直徑/mm50.8燃燒室高度/mm50.345縫隙高度/mm20縫隙寬度/mm4縫隙通道寬度/mm0.15～0.50當量比1燃料種類異辛烷點火方式中心點火

試驗通過壓縮比調節墊片調節壓縮比為9.8，活塞行程為495 mm，計算得燃燒室高度為56.25 mm。試驗時測得的壓縮時間約為30 ms，在壓縮過程初始階段，溫度上升緩慢，在活塞運動過程中，燃燒室內部與缸壁之間的散熱量很小，且使用縫隙活塞避免了渦流對溫度的影響，可以將壓縮過程假設為絕熱過程，初始壁面溫度設置為300 K，壁面類型設置為Law of wall。壓縮開始前缸內充滿當量比為1的異辛烷均勻混合氣，通過計算得到混合氣中異辛烷、氧氣、氮氣的質量分數分別為6.23%，21.86%，71.91%。

同時考慮到計算精度與計算成本，采用變時間步長的計算方法，步長范圍為1×10-8～1×10-6s。考慮到對湍流脈動的捕捉，模型采用1.58 mm基礎網格，在點火中心附近采用4層固定加密，初始網格數為47.8萬，網格分布見圖2a。在計算過程中對速度、溫度、反應物和主要燃燒標志物(OH和H2O2)采用AMR(Adaptive Mesh Refinement)算法，計算過程中總網格數量變化見圖2b。

圖2 計算網格

1.2 模型驗證

本研究使用Converge軟件，計算了從壓縮上止點后點火開始時的燃燒過程，為了準確模擬湍流對流場的作用，湍流模型采用了大渦模擬(LES)模型，亞網格模型選用一方程Viscous One Equation模型，壁面傳熱模型采用Han and Reitz模型，計算格式采用PISO方法。計算中燃燒模型采用G-Equation模型耦合詳細化學反應動力學模型，此模型采用了異辛烷48組分、152步反應的化學動力學機理[8]，點火模型選用G_EQN模型。

基于以上模型，首先對本研究所使用的計算模型進行了驗證。圖3示出了4 ms時兩種環境壓力下火焰發展與實測結果的對比。從圖中可以看出，此時得到的火焰面結構與試驗測得的基本一致。圖4示出了兩種壓力下火焰發展產生的壓力變化曲線，并與快壓機試驗結果進行了對比分析。從圖中可以看出，計算結果與試驗很好地吻合。因此，采用當前的數值模型可以準確地模擬火花點火的過程，也能夠較為準確地模擬快速壓縮機燃燒室的燃燒情況，所得數據可靠，且可用于分析。

圖3 4 ms時仿真結果與試驗火焰形態對比

圖4 缸內壓力仿真值與試驗值的對比

2 結果與分析

基于上述驗證過的仿真模型，研究了上止點初始壓力為1.1 MPa和1.4 MPa兩種預混混合氣中，不同湍流脈動對火焰發展和傳播的影響。初始湍流假設為各向同性，并通過Passot-Pouquet湍動能譜給定：

式中：k0=2π/l0，為積分長度尺寸；u′為湍流脈動，u′=(2K/3)1/2,其中K為湍動能。圖5示出了t=0時刻初始湍流脈動場。燃燒室的部分仿真初始條件見表2，每種上止點壓力下的4個工況的初始溫度、初始壓力、當量比、點火能量和點火半徑等條件都相同。

圖5 燃燒室初始流場

工況上止點壓力/MPa上止點溫度/K壁面初始溫度/K湍流脈動u′/m·s-1A1.16413020.0B1.16413020.5C1.16413021.0D1.16413022.0E1.46413020.0F1.46413020.5G1.46413021.0H1.46413022.0

2.1 湍流脈動對火焰傳播的影響

在初始壓力為1.1 MPa和1.4 MPa兩種工況下，不同初始湍流脈動場中，不同時刻的火焰鋒面(2 000 K溫度等值面)到點火中心的最遠距離見圖6。由于火焰在4 ms后傳播到近壁面位置，此時邊界對火焰傳播開始產生影響，所以只討論4 ms之前的湍流火焰傳播速度。由圖可以看出，無湍流脈動時火焰傳播最慢，初始壓力為1.4 MPa時平均速度為5.375 m/s，初始壓力為1.1 MPa時平均速度為5.875 m/s，而隨著湍流強度增加，火焰鋒面的傳播變得更快，當缸內存在強湍流脈動時(u′=2.0 m/s)，兩種壓力下缸內火焰傳播速度約為8.375 m/s，1.4 MPa工況下相較于無湍流脈動工況增大了42.6%，這是由于湍流脈動與火焰相互作用，促進了可燃混合氣的燃燒，加快了火焰傳播。

圖6 火焰鋒面至點火中心最遠距離隨時間的變化

從圖6中可以看出，當湍流脈動為0 m/s時，即無初始湍流脈動時，低的初始壓力下火焰傳播更快，這是因為此時火焰為層流火焰，壓力對火焰發展有擠壓作用，壓力越大，對火焰面的擠壓作用越強烈，火焰傳播速度越小，當初始有湍流脈動時，火焰由層流火焰逐漸轉化為湍流火焰。當湍流脈動小于2.0 m/s時，初始壓力為1.4 MPa的工況相比初始壓力為1.1 MPa的工況，湍流脈動對火焰傳播的影響更強，這主要是因為湍流的存在增加了火焰面的褶皺，當火焰面褶皺時，環境壓力的增加進一步增加了火焰面的褶皺，所以燃燒反應速度增加。

2.2 湍流脈動對火焰形態的影響

湍流火焰外側湍流為大尺度渦團，在強湍流下，小尺度渦團可能進入火焰內部改變其結構[9]。為了研究大小尺度湍流渦團對火焰形態的影響，將初始壓力為1.4 MPa下4種不同初始湍流脈動的仿真結果進行對比，火焰核心發展的三維瞬態場見圖7。

圖7 初始壓力1.4 MPa下火焰核心發展

圖中灰色部分為2 000 K溫度等值面，可以認為該等值面為火焰鋒面[10]。點火后1 ms內，各湍流強度下火焰形態發展類似，都近似為球體。無湍流脈動時(工況E)火焰為一個光滑的球形，隨著時間的變化，雖然燃燒熱釋放所引起的熱膨脹對周圍速度場有影響，使火焰周圍的速度增大，但火焰形態未有明顯變化，此時仍為球形火焰。而在有湍流脈動時(工況F/G/H)，點火中心附近的湍流脈動在點火過程中即開始與著火過程及火焰發展發生相互作用，雖然在點火后1 ms仍為近似球形，但此時火焰形態已經略有褶皺。從湍流場可以看出，雖然湍流脈動會對火焰傳播產生加速作用，但在強湍流一側，火焰形成和傳播滯后于弱湍流一側，這是因為在點火過程中湍流脈動對點火能量有耗散作用，對火焰的形成起了抑制作用。之后，隨著火焰鋒面的發展，火焰由層流火焰逐漸向湍流火焰轉化，在有初始湍流場的工況下，火焰面周圍湍流脈動更加強烈，火焰面與湍流相互作用也越來越強烈，此時速度場明顯受到燃燒熱釋放所引起的熱膨脹的影響，同時火焰面隨著時間變得更加褶皺。從圖7中可以看出，火焰面褶皺劇烈處(火焰面凸起部分)燃燒更加劇烈，速度更大，引起的火焰前鋒面處流場速度也更大。隨著湍流脈動的繼續增加，火焰速度增加，燃燒膨脹加劇，火焰前鋒面處流場速度也逐漸增加。從試驗中可以明顯觀測到火焰加速在火焰前鋒產生氣流，氣流運動反過來加速了火焰的發展[11]。但值得注意的是，燃燒同樣會增加流體黏性，進而降低湍流強度。

當湍流脈動為2.0 m/s時，靠近活塞一側的火焰比靠近燃燒室頂部一側的火焰傳播更快，形變更嚴重。這是由于燃燒開始后，活塞環槽內氣體的溫度壓力未迅速上升，密度低于燃燒室中心區域，導致燃燒室中心氣體向活塞環槽中擴散，壓力略低于頂部一側，壓力對火焰的壓縮作用降低。火焰開始變形褶皺后，向外凸起的火焰面對湍流的加強作用更大，而較強的湍流作用加速了火焰的發展和變形，湍流和火焰之間的相互作用越發強烈。

2.3 湍流脈動對燃燒強度的影響

圖8和圖9示出兩種初始壓力下，湍流脈動對缸內平均溫度和缸內最大溫度的影響。由圖可以看出，在點火和燃燒初期階段，湍流脈動對缸內平均溫度和缸內最大溫度的影響不大，這一階段主要是層流火焰的形成和傳播過程。隨著火焰的發展，由層流火焰逐步發展過渡為湍流火焰，缸內燃燒進入快速燃燒期，湍流對溫度的影響逐漸變大。還可以看出，湍流強度越大，溫度上升越快，這是因為湍流渦團對火焰面的拉伸和擠壓作用，使火焰面褶皺變形，單位體積內火焰面面積變大，燃燒更加迅速。

圖8 湍流脈動對缸內平均溫度的影響

圖9 湍流脈動對缸內最大溫度的影響

圖10示出兩種壓力下湍流脈動對缸內壓力的影響情況。由圖可以看出，在無湍流脈動和弱湍流脈動工況，在2.5 ms左右進入快速燃燒階段，而在初始湍流脈動為2.0 m/s時，由于湍流和火焰相互作用，火焰由層流火焰向湍流火焰的過渡更快，缸內氣體進入快速燃燒階段的時間要早，約為2.0 ms。此時由于湍流對火焰的加速作用，缸內燃燒更迅速，強湍流脈動下的缸內壓力明顯高于無湍流和弱湍流脈動工況。

圖10 湍流脈動對缸內平均壓力的影響

3 結論

a) 隨著湍流強度增加，湍流對火焰的作用增強，火焰鋒面變得更加褶皺，火焰前鋒傳播加快，促進了可燃混合氣的燃燒;

b) 隨著火焰的發展，火焰面周圍湍流脈動更加強烈，火焰面與湍流相互作用也越來越強烈，此時速度場明顯受到燃燒熱釋放所引起的熱膨脹的影響，火焰面隨著時間的發展變得更加褶皺;

c) 在層流燃燒時，初始湍流場對燃燒的影響不明顯，當火焰過渡到湍流階段，湍流對燃燒的影響逐漸顯現，且隨著湍流脈動的增大，對燃燒的加速效果變得更顯著，燃燒相位提前，表明在發動機中合理組織湍流燃燒可以提高其熱效率。