引射比對(duì)生物柴油斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒影響的仿真研究

王林濤，孫春華，林志民，虞翔宇，喬信起，袁 雄，王繼剛

(1. 上海交通大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所, 上海 200240; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所, 上海 201108)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)、噪聲低、效率不受排氣背壓影響，是目前世界上水下平臺(tái)的主要?jiǎng)恿π问剑鸬洹⑷毡尽⒅袊?guó)等一直將其作為水下平臺(tái)動(dòng)力的重要技術(shù)發(fā)展方向.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一般燃用石化柴油，采用純氧引射再循環(huán)燃燒廢氣技術(shù)[1-3].

與內(nèi)燃機(jī)相比，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和燃燒連續(xù)，對(duì)燃料適用性好，可免于石化燃料供應(yīng)不足的限制，且排放低，無需昂貴、復(fù)雜的電控共軌系統(tǒng)及后處理裝置.因此，除軍用外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也在民用海洋船舶、熱電聯(lián)產(chǎn)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4-6].

生物柴油來源廣，與柴油的理化特性相近，可直接替代柴油或與柴油調(diào)合使用，并已在熱電聯(lián)產(chǎn)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)上成功使用[7].生物柴油的十六烷值高，硫含量低，運(yùn)輸存儲(chǔ)安全.因?yàn)楹酰覠嶂蹬c柴油相近，其產(chǎn)生單位熱值耗氧少，水下平臺(tái)相同攜氧量下可增大續(xù)航.另外，含氧燃料燃燒可緩解因局部油氧混合不均致燃燒異常的現(xiàn)象，有利于提高熱效率，抑制局部爆震.

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒雖是一準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，但由純氧引射的再循環(huán)廢氣對(duì)噴射油束及燃燒過程具有復(fù)雜的物理(剪切、卷吸及摻混等)和化學(xué)(惰性氣體稀釋)作用，理論解析斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒過程難度極大，目前研究仍以試驗(yàn)為主.胡懷禮等[8-9]利用高速攝影儀和激光粒度儀，研究了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)引射對(duì)噴霧的影響，發(fā)現(xiàn)引射氣體對(duì)噴霧發(fā)展及霧滴粒徑影響很大.Paul等[10]利用廢氣再循環(huán)技術(shù)在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了低品質(zhì)燃油的穩(wěn)定燃燒，但受低引射比下小廢氣再循環(huán)率的限制，燃燒不夠高效.已有研究表明引射比是影響斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和燃燒的關(guān)鍵因素.

由于試驗(yàn)難以獲得噴霧燃燒場(chǎng)細(xì)節(jié)，數(shù)值模擬已成為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒研究的有力手段.Xin等[11]研究了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器螺旋彈簧管內(nèi)往復(fù)振蕩流動(dòng)的流動(dòng)與傳熱特性.葉擁擁等[12]對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃油霧化及燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)再循環(huán)廢氣與氧化劑體積比達(dá)到11.5時(shí)可實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，但大比例再循環(huán)廢氣在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn).

El-Ghafour等[13]對(duì)GPU-3斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維CFD仿真研究.張鋒等[14]采用數(shù)值模擬，對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中天然氣的燃燒進(jìn)行二維模擬.

目前，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的試驗(yàn)研究有限，且結(jié)果只限于發(fā)動(dòng)機(jī)的宏觀性能，微觀的噴霧液滴粒徑分布、燃燒流場(chǎng)及燃燒產(chǎn)物組分分布特征有待通過數(shù)值模擬手段揭示.生物柴油燃燒數(shù)值模擬的難點(diǎn)是構(gòu)建其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理.Lele 等[15]以丁酸甲酯作為生物柴油替代物，提出了一個(gè)緊湊的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制.Neumann等[16]測(cè)定了油酸與乙醇酯化生成油酸乙酯的反應(yīng)動(dòng)力學(xué).Alviso等[17]提出柴油-生物柴油-乙醇混合油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，新的組合方案由235種組分和 1 113 個(gè)基本反應(yīng)組成.肖杰[18]等通過路徑分析及溫度敏感性分析方法得到一個(gè)適用于均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理，包含113種物質(zhì)以及306個(gè)反應(yīng).Chang等[19]提出了1種包括葵酸甲酯(MD)、5-癸烯甲酯(MD5D)和正癸烷的骨架替代機(jī)理，包含60種組分和172種反應(yīng).生物柴油斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒的三維數(shù)值模擬需考慮多種異質(zhì)氣體組分、噴霧動(dòng)力學(xué)、燃燒及復(fù)雜的傳熱過程，而已有的生物柴油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理大多超過100種反應(yīng)，計(jì)算成本較高.

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生物柴油進(jìn)行研究.首先，構(gòu)建生物柴油的簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；其次，建立考慮噴霧、燃燒和傳熱的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)值計(jì)算模型；最后，改變斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)-引射比，研究生物柴油斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧和燃燒特性.通過研究，深化對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒的認(rèn)識(shí)，為生物柴油斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與應(yīng)用提供一定參考依據(jù).

1 生物柴油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化

本文根據(jù)送檢生物柴油的C∶H∶O元素物質(zhì)的量的比，構(gòu)造了1個(gè)生物柴油分子式C18H34O2.采用解耦法，將詳細(xì)的H2/CO/C1子機(jī)理與極其簡(jiǎn)化的C2-Cn子機(jī)理相耦合，構(gòu)建了1個(gè)包含37組分、83個(gè)反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理，簡(jiǎn)稱Bio-37.

圖1為使用解耦法構(gòu)建的骨架機(jī)理的主要反應(yīng)路徑圖.燃料(RH)首先通過脫氫反應(yīng)生成燃料基(R).受燃料分子結(jié)構(gòu)影響，R存在多個(gè)同分異構(gòu)體Q，為降低機(jī)理規(guī)模，只保留C-H鍵解離能最弱的R.在低溫時(shí)，只有脂肪鏈參與反應(yīng)，其主要反應(yīng)路徑為R→RO2→QOOH→O2QOOH→過氧化氫酮→低溫鏈分支反應(yīng).在高溫時(shí)，R通過β-裂解生成含有官能團(tuán)的小分子，并將連續(xù)的β-裂解反應(yīng)集總為一個(gè)反應(yīng).隨后，在機(jī)理中引入描述官能團(tuán)氧化特性的反應(yīng)，以預(yù)測(cè)不同燃料的氧化行為.最后，引入詳細(xì)H2/CO/C1子機(jī)理和簡(jiǎn)化C2-C3子機(jī)理，獲得最終的骨架機(jī)理.解耦法中，詳細(xì)H2/CO/C1子機(jī)理用于預(yù)測(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒎艧崧剩还羌蹸4-Cn子機(jī)理用于預(yù)測(cè)燃料消耗、滯燃期和主要組分濃度；簡(jiǎn)化的C2-C3子機(jī)理作為以上兩個(gè)子機(jī)理的過渡機(jī)理.應(yīng)用解耦法構(gòu)建的汽油、柴油、煤油、生物柴油以及醇類等燃料的簡(jiǎn)化機(jī)理規(guī)模小，預(yù)測(cè)精度高，其有效性和合理性已被證明[18-20].

本文利用Campbell等在背壓p為7 atm(1 atm=1.01×105Pa)，溫度T為 1 100～1 400 K(1 000/T為0.71～0.91 K-1)，燃氧當(dāng)量比φ為0.75和1.25條件下測(cè)得的油酸甲酯(MO)著火延遲時(shí)間ti[20]檢驗(yàn)Bio-37機(jī)理.計(jì)算的初始條件如表1所示.Bio-37機(jī)理計(jì)算結(jié)果及其與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖2所示.驗(yàn)證結(jié)果表明：Bio-37機(jī)理的著火延遲時(shí)間比MO試驗(yàn)值短，其著火延遲時(shí)間在燃氧當(dāng)量比 1.25條件下與試驗(yàn)值的吻合程度比在燃氧當(dāng)量比為0.75條件下好；Bio-37機(jī)理準(zhǔn)確反映出了MO著火延遲時(shí)間隨溫度變化的趨勢(shì).總體來說，用Bio-37機(jī)理的中高溫著火特性與大分子甲酯基本吻合.

表1 MO著火延遲的初始條件Tab.1 Initial conditions for ignition delay time of MO

為進(jìn)一步驗(yàn)證簡(jiǎn)化機(jī)理的對(duì)生物柴油氧化過程的預(yù)測(cè)，基于充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)容器(PSR)程序，用Bio-37機(jī)理預(yù)測(cè)了生物柴油在射流攪拌反應(yīng)器(JSR)中主要組分的濃度演變.PSR程序普遍用于預(yù)測(cè)燃料在JSR中主要組分的濃度演變趨勢(shì).鏈烷烴、環(huán)烷烴、脂肪酸甲酯等的JSR試驗(yàn)結(jié)果均表明p<20 atm，φ=0.5～2時(shí)，PSR程序是有效的.試驗(yàn)?zāi)M的初始條件見表2，主要組分摩爾分?jǐn)?shù)X與試驗(yàn)值[21]對(duì)比結(jié)果見圖3.可以看出，Bio-37機(jī)理預(yù)測(cè)的CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值基本吻合，而CO、C2H4的摩爾分?jǐn)?shù)偏低.總體上，所構(gòu)建的Bio-37機(jī)理能較好反映生物柴油的化學(xué)反應(yīng)過程.

表2 射流攪拌反應(yīng)器初始條件Tab.2 Initial conditions for JSR

2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒計(jì)算模型

本文基于ANSYS Fluent 對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧、燃燒及換熱過程進(jìn)行計(jì)算，研究燃燒場(chǎng)中的速度、溫度和組分分布.因篇幅有限，以下就幾何模型、噴霧燃燒子模型、定解條件及驗(yàn)證進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)基本常用控制方程不作詳細(xì)展開.

2.1 幾何模型、噴霧和湍流燃燒模型

圖4為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器，包括引射器、旋流室、噴油器、點(diǎn)火器、燃燒室、換熱管及擋焰板等.

本文研究對(duì)象為燃燒室，略去燃燒室外圍部件，并對(duì)噴油器、換熱管和引射器作簡(jiǎn)化：引射器和再循環(huán)燃?xì)饬鞯澜Y(jié)構(gòu)只保留其與旋流室連接通道，引射比則通過改變純氧和再循環(huán)廢氣的比例實(shí)現(xiàn)；加熱管部分由1個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)代替，見圖5.

本文斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓力渦旋霧化噴嘴，燃油初次破碎模型采用Senecal等[22]提出的線性不穩(wěn)定薄膜霧化模型.將初次破碎液滴作為離散相處理以 Lagrangian 法描述，氣相場(chǎng)作為連續(xù)相處理以Eulerian法描述，采用隨機(jī)軌道模型反映瞬時(shí)湍流振蕩對(duì)液滴軌道的影響.因斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噴射速度不高，采用泰勒類比破碎(TAB)模型控制液滴二次破碎.霧化液滴間碰撞模型采用O’Rourke模型.

本文燃燒屬湍流擴(kuò)散燃燒，采用火焰面模型作為湍流燃燒模型，耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與湍流流場(chǎng).火焰面模型是Peters在層流擴(kuò)散火焰的研究基礎(chǔ)上提出并擴(kuò)展到湍流擴(kuò)散火焰研究中.

2.2 定解條件

生物柴油是多種脂肪酸甲酯的混合物，對(duì)于不同來源的生物柴油，成分會(huì)有差異，其物性參數(shù)會(huì)有所不同，每種生物柴油均需對(duì)成分和物性進(jìn)行檢定.表3為測(cè)得的生物柴油和石化柴油的物性參數(shù)的對(duì)比.根據(jù)生物柴油物性預(yù)測(cè)模型[23]，得到生物柴油相關(guān)物性參數(shù).

邊界條件見表4所示.結(jié)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油額定功率確定標(biāo)準(zhǔn)工況條件為：噴油量15 kg/h，噴射壓力6 MPa，過量氧氣系數(shù)1.1，再循環(huán)燃?xì)鉁囟?23 K.

本文分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工況條件下斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用石化柴油時(shí)噴霧和燃燒的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.通過對(duì)比特定時(shí)刻(噴射時(shí)刻為15 ms)噴霧形態(tài)(圖6)和噴霧貫穿距S隨噴射時(shí)刻t的高速攝影試驗(yàn)及仿真結(jié)果(圖7)發(fā)現(xiàn)，本文模型可準(zhǔn)確模擬斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧特性. 通過對(duì)比表5給出燃燒的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)擋焰板平均溫度和出口氧濃度誤差均小于4%，表明由本文模型獲得的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的.

表3 生物柴油與石化柴油的物性對(duì)比

表4 邊界條件Tab.4 Boundary conditions

本文經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證(含20～60萬網(wǎng)格)最后確定的計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)為 351 750.

3 結(jié)果與分析

3.1 生物柴油與石化柴油對(duì)比

生物柴油燃料含氧，且物性與原機(jī)所用石化柴油有差異，以下對(duì)比分析生物柴油和原機(jī)所用石化柴油的燃燒特性.

圖8所示為生物柴油與石化柴油燃燒溫度場(chǎng)的對(duì)比.結(jié)果顯示，生物柴油和石化柴油燃燒溫度場(chǎng)分布規(guī)律相同，高溫區(qū)集中在中心軸線附近.較石化柴油及生物柴油無明顯低溫區(qū)，即便是在燃燒室邊緣即換熱器附近.這表明，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用含氧的生物柴油，其燃燒室內(nèi)溫度均勻性更好.因此，有利于熱效率提高.

因生物柴油和石化柴油燃燒速率存在差異，所以會(huì)影響燃燒室內(nèi)速度分布.圖9對(duì)比了生物柴油與石化柴油燃燒的速度v.結(jié)果顯示，兩種燃油燃燒速度分布差異不明顯，生物柴油燃燒的高速分布范圍比石化柴油略大.

圖10進(jìn)一步定量給出了生物柴油與石化柴油燃燒溫度距噴孔軸向距離d的分布.可以看出，隨著d的增大，生物柴油和石化柴油的溫度均呈先快后慢增大，最后趨于平穩(wěn)的規(guī)律.距離噴嘴遠(yuǎn)端的擋焰板處溫度最高，承受的熱負(fù)荷最大.較石化柴油，生物柴油的最高溫度明顯降低.特別地，生物柴油在擋焰板處的溫度低于石化柴油，這對(duì)于保護(hù)本項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備安全極為有利.

圖11所示為燃燒場(chǎng)中兩個(gè)軸向位置生物柴油與石化柴油燃燒溫度的徑向分布.圖中R為距中心軸線的徑向距離.結(jié)果表明，兩種油燃燒溫度沿徑向分布均存在高溫區(qū)；軸向位置較大(Z=115 mm)的高溫區(qū)較大，溫度也越高.較石化柴油，生物柴油高溫區(qū)溫度低，低溫區(qū)溫度高，進(jìn)一步表明了生物柴油在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)上使用時(shí)具有改善燃燒室溫度分布均勻性的效果.

3.2 引射比對(duì)生物柴油斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度速度場(chǎng)和組分分布的影響

圖12和圖13分別為不同引射比η時(shí)燃燒室內(nèi)的溫度、速度場(chǎng).結(jié)果顯示，本文斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)集中在中心軸線附近；引射比越大，燃燒室內(nèi)燃燒溫度特別是最高溫度越低.這是由于引射比增大時(shí)，再循環(huán)燃?xì)饬吭龃螅細(xì)庵袩崛葺^大的CO2和H2O降低了燃燒溫度，并改善燃燒室內(nèi)溫度分布的均勻性，對(duì)保護(hù)外燃組件起到明顯作用.

此外，大引射比下，大量再循環(huán)燃?xì)獾囊朐黾恿巳紵彝髁浚淦鲊姵龅母咚贇饬鳂O大地推動(dòng)了燃燒室內(nèi)氣流的強(qiáng)制循環(huán)，強(qiáng)化了對(duì)流換熱，從而提高熱效率，如圖13所示.

圖14所示為引射比對(duì)燃燒場(chǎng)中溫度、速度軸向分量va的影響規(guī)律.可以看出：引射比增大時(shí)，中心軸線上的溫度降低明顯，且隨著軸向距離的增大，這種降低幅度逐漸增大，最高溫度對(duì)應(yīng)軸向位置處的降低幅度最大.

引射比對(duì)速度軸向分布的影響規(guī)律則較為復(fù)雜，由于引射器噴射氣流經(jīng)旋流作用進(jìn)入燃燒室，所以引射氣流速度軸向分量并不一定隨引射比的增大而增大；引射比最大時(shí)，燃燒室內(nèi)速度軸向分量反而最小，見圖14(b)所示.這表明，大引射比可以減小燃?xì)狻案_”撞擊擋焰板，一方面可減少外燃設(shè)備的燒灼損壞；另一方面，燃?xì)獾乃闹軘U(kuò)散強(qiáng)化了換熱器處的對(duì)流強(qiáng)度，有利于提高熱效率.

圖15所示為不同軸向位置引射比對(duì)燃燒場(chǎng)中溫度沿徑向分布的影響.結(jié)果顯示：不同引射比下的溫度沿徑向分布均存在高溫區(qū).較遠(yuǎn)的軸向位置(d=115 mm)，高溫區(qū)范圍越大，對(duì)應(yīng)的溫度也越高.引射比越大，高溫區(qū)越小，高溫區(qū)對(duì)應(yīng)的溫度也越低.這表明，增大引射比可顯著降低燃燒室內(nèi)最高溫度及減小高溫區(qū)域.

圖16所示為兩個(gè)不同軸向位置引射比對(duì)速度軸向分量徑向分布的影響.可以看出，軸向位置較大時(shí)(d=115 mm)，引射比越大，速度軸向分量沿徑向的分布范圍較寬.雖然引射比增大可增強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流，但氣流的軸向速度并非隨著引射比的增大而增大，本文所計(jì)算的最大引射比(η=10)所對(duì)應(yīng)的速度軸向分量反而最小.

由于引射氣流是經(jīng)旋流室進(jìn)入燃燒室，因此，引射氣流的速度有相當(dāng)部分為周向分量.圖17所示為兩個(gè)不同軸向位置處引射比對(duì)速度周向分量vc沿徑向分布的影響.可以看出，引射比對(duì)燃燒室內(nèi)速度周向分量的影響格外顯著，引射比越大，周向分量速度也越大，沿徑向的分布范圍也越寬，這有利于提高燃燒溫度分布的均勻性， 并提高換熱器位置的對(duì)流換熱強(qiáng)度.

圖18所示為引射比對(duì)燃燒室內(nèi)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w沿軸向分布的影響.可以看出，引射比對(duì)各組分分布的影響較為復(fù)雜.總體而言，引射比會(huì)影響并“移動(dòng)”主燃區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)了不同引射比時(shí)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向出現(xiàn)的偏移.引射比越大，所對(duì)應(yīng)的主燃區(qū)域越靠近噴嘴，見圖中箭頭所指方向所示，這有利于減少擋焰板處溫度，防止設(shè)備灼損.

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的燃燒特性進(jìn)行了研究.得到如下結(jié)論：

(1) 采用解耦法對(duì)生物柴油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理作了簡(jiǎn)化，得到Bio-37包含37組分，83個(gè)反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理，構(gòu)建的Bio-37機(jī)理可準(zhǔn)確反映生物柴油的中高溫著火和氧化特性.

(2) 建立了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油的數(shù)值計(jì)算模型，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，模型能夠較好仿真斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的噴霧燃燒過程，可準(zhǔn)確模擬噴霧貫穿距和擋焰板溫度.

(3) 較石化柴油，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油后，燃燒室內(nèi)整體溫度略有升高，在燃燒室邊緣即換熱器附近溫度升高尤為明顯，但最高溫度下降，燃燒室內(nèi)溫度均勻性更好.

(4) 引射比越大，燃燒室內(nèi)燃燒溫度特別是最高溫度越低.較大的引射比所對(duì)應(yīng)的主燃區(qū)域更靠近噴嘴、引射比越大，燃燒室內(nèi)速度的軸向分量越小，周向分量明顯增大.

總體而言，提高引射比可降低燃燒室溫度，改善溫度分布均勻性，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，減少擋焰板熱負(fù)荷.