缸內流場擾動對快速壓縮機著火中間物種采樣測量影響的數值研究

摘要："針對燃料自燃活性表現出負溫度系數（NTC）效應時的快速壓縮機缸內流場擾動對物種采樣精度影響不明的問題，建立了燃料自燃過程物種采樣的數值模型，通過控制活塞縫隙容積在燃燒缸內產生了不同強度的氣流擾動，探究了NTC及氣流擾動共同作用對正丁烷混合氣自燃過程物種采樣精度的影響規律。研究結果表明：受燃料NTC效應的影響，兩種典型的物種采樣方法均出現了反向稀釋現象，即燃料的采樣濃度偏低，中間產物的采樣濃度偏高。反向稀釋與采樣方法的系統誤差產生抵消，導致NTC區域內物種采樣精度受氣流擾動的敏感性降低。抑制燃燒缸內的氣流擾動有利于提高采樣精度，然而在絕對無擾動的流場下，整體凍結法的采樣誤差受熱邊界層作用反而會略微提高。該研究為燃料自燃過程中物種采樣實驗的設計及數據不確定性分析提供了有價值的參考。

關鍵詞："物種采樣；氣流擾動；負溫度系數；著火延遲時間；快速壓縮機

中圖分類號："TK16"文獻標志碼：A

DOI："10·7652/xjtuxb202408007"文章編號：0253-987X（2024）08-0060-09

Numerical Study of the Effect of In-Cylinder Airflow Disturbances on Intermediate Species Sampling in the Rapid Compression Machine

WU Yingtao， RAO Boxuan， TANG Chenglong， HUANG Zuohua

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract："The effect of in-cylinder airflow disturbances in the rapid compression machine on the species sampling accuracy remains unclear when fuel autoignition exhibits a negative temperature coefficient （NTC） effect. To solve this problem， this study establishes a numerical model for species sampling during fuel autoignition， and delves into the combined effect of NTC and airflow disturbances on the species sampling accuracy during the autoignition of a n-butane mixture， by controlling different piston crevice volumes to generate airflow disturbances of different intensities within the combustion chamber. The results show that due to the NTC effect of the fuel， both of the typical sampling methods exhibit a reverse dilution phenomenon， where the sampling concentration of the fuel is lower than expected， while that of intermediate species is higher than expected. This reverse dilution offsets the systematic errors of the sampling methods， resulting in a reduced sensitivity of the species sampling accuracy to airflow disturbances in the NTC region. Suppressing airflow disturbances within the combustion chamber is generally beneficial to the increase in the sampling accuracy. However， in an absolutely undisturbed flow field， the sampling error of the whole quenching method may even increase slightly due to the effect of the thermal boundary layer. This study provides valuable reference for the design of species sampling experiments and the uncertainty analysis of experimental data during fuel autoignition.

Keywords："species sampling; airflow disturbance; negative temperature coefficient; ignition delay time; rapid compression machine

發動機不斷朝著高燃燒效率和低污染排放的方向發展，涌現出均質充量壓燃（HCCI）"［1］和燃油反應活性控制壓燃（RCCI）"［2］等先進燃燒技術。HCCI、RCCI技術下的燃料著火主要由其化學反應過程主導，因此深入認識燃料的化學反應動力學機制成為發動機燃燒組織和調控的關鍵。同時，先進的發動機燃燒仿真設計依賴于準確的燃料化學反應機理。

燃料的基礎燃燒特性實驗是構建和驗證其化學反應動力學機理的主要方式。燃料的基礎燃燒特性參數包括著火延遲期（τ"IDT）"［3］、反應中間產物濃度"［4］、層流火焰傳播速度"［5］及自由基濃度"［6］等。其中τ"IDT可以表征燃料的總體反應活性，是化學反應動力學機理驗證的重要宏觀參數。反應中間產物濃度是驗證燃料化學反應機理的微觀數據，反映燃料化學反應和能量轉化的內在過程。在諸多基礎燃燒實驗裝置中，快速壓縮機（RCM）與發動機的運行原理最為接近。RCM模擬發動機單次壓縮沖程，通過活塞的快速壓縮在燃燒缸內形成高溫高壓的熱力學環境，進而使燃料發生自著火。RCM燃燒缸內的有效熱力學環境可達200ms以上"［7］，十分適用于研究燃料在中低溫工況下的反應動力學過程。

目前，使用RCM進行燃料化學反應動力研究主要集中在τ"IDT的測量"［7］，得益于RCM較長的測量時間尺度，在燃燒缸壁安裝采樣裝置還可獲得燃料自著火過程中的反應中間物種信息。He等"［8］率先在RCM上開發了快速采樣技術：通過將采樣探針連接一個快速響應的電磁閥（響應時間小于3ms），在燃料混合氣滯燃階段的特定時刻觸發閥門開啟-關閉，抽取小部分混合氣進入采樣罐中。進入采樣罐的氣體由于體積膨脹而使化學反應迅速凍結，隨后輸入氣相色譜（GC）或氣相色譜質譜聯用儀（GCMS）進行分析。在多次實驗中改變采樣時刻，即可獲得燃料混合氣滯燃過程中完整的中間產物變化歷史。考慮到多次實驗中著火時刻可能出現的變動，物種采樣的時間通常會通過τ"IDT進行歸一化，進而驗證動力學模型的預測性能。另一種物理采樣方法（整體凍結法）"［9］通過在燃燒缸和采樣罐之間設置一層隔膜，在特定的采樣時刻刺穿隔膜。相比于快速采樣抽取一小部分混合氣，這種采樣方法將整個燃燒缸內的反應氣體凍結，因此可供分析的氣體量更大，在RCM早期的采樣研究中"［10-11］使用較多。

RCM采樣為研究燃料中低溫化學反應動力學機理提供了寶貴的實驗數據，然而RCM采樣方法系統誤差相關的研究卻十分稀少。RCM采樣實驗的一個重要系統誤差來自于非理想氣體的稀釋，即采樣過程一部分未經理想熱力學條件下化學反應的氣體進入采樣罐，造成測量組分偏差。現有研究"［8，12-13］認為，非理想氣體主要來自于采樣系統的余隙容積，由于散熱面積較大，余隙容積內的氣體溫度較低，難以發生明顯的化學反應，其組分通常認為與初始狀態一致。因此，余隙容積氣體的稀釋會導致燃料濃度測量值偏高而反應中間產物測量值偏低（正向稀釋），采樣實驗結果通過定義的稀釋比（余隙容積的氣體量與采樣罐中氣體量的比值）進行修正。

另一部分來自于熱邊界層的非理想氣體的稀釋效應則通常被忽略。即使將采樣探針設置于燃燒缸的核心區，其壁面本身也會產生一定的熱邊界層，對于較長滯燃時間的工況，散熱導致的熱邊界層影響將更為顯著。此外，由于活塞的運動，燃燒缸壁面的熱邊界層氣體會隨氣流擾動到達采樣區域，熱邊界層內的氣體溫度介于壁面溫度和核心區理想溫度之間，通常情況下造成的稀釋氣體效應與余隙容積相同。然而，當其溫度處于燃料的負溫度系數（NTC）溫度區域時，較低溫度的熱邊界層氣體反而具有更高的反應活性，導致稀釋效應發生反轉"［14］。RCM通常采用頭部帶有縫隙的活塞結構來抑制燃燒缸內的氣流擾動"［15］，但缸內的氣流擾動無法在所有研究工況下被完全去除"［16］。前期的研究工作"［17］表明，非NTC工況下的采樣結果對缸內氣流擾動十分敏感，采樣"5ms 后的稀釋比可達98%，造成物種濃度測量結果偏差50%以上。NTC工況下，缸內的燃料反應活性分布發生了明顯變化，氣流擾動甚至會帶來局部反應活性的增加，RCM采樣方法受氣流擾動的敏感性及其帶來的物種濃度測量誤差有待評估。

因此，本文采用數值模擬的方法對不同缸內氣流擾動下的RCM著火及中間產物采樣過程進行研究。使用零維均質反應器（0D）計算燃料在理想狀態下的著火及物種轉化過程；使用計算流體動力學（CFD）耦合燃料化學反應機理模擬自著火實驗中可能存在的熱邊界層、氣流擾動及物種輸運等多維影響；CFD及0D模擬方法計算耦合相同的化學反應機理，進而抵消燃料化學反應機理本身的誤差。將0D方法計算結果作為標準，評估CFD方法模擬中散熱及氣流擾動等多維因素帶來的系統偏差。

1"研究方法

1.1"反應動力學機理及0D模擬方法

本文使用正丁烷（C4H"10）作為具有NTC特性的代表燃料，混合氣組分為質量分數4%的C4H"10、11%的O2和85%的N2。燃料混合氣在壓縮上止點的熱力學工況約為670～910K、2MPa，通過0D、CFD分別計算燃料混合氣的τ"IDT和著火過程中的物種采樣濃度。0D、CFD模擬方法計算均采用前期工作得到的正丁烷簡化反應機理"［14］，共包含42個物種和138步反應。

[HJ1.92mm]0D模擬方法采用CHEMKIN PRO中的零維均質反應器，控制反應器的體積并求解能量方程。為考慮燃燒缸內氣體的散熱及壓縮過程中可能存在的化學反應，0D模擬使用RCM研究中普遍采用的等效體積方法"［18］，即將RCM的壓縮、散熱等效為等熵壓縮和膨脹過程。等效體積V的計算式為

式中：p為CFD計算得到的無反應條件下的缸內壓力；V0、p0分別為初始時刻缸內體積、壓力；γ為混合氣隨溫度變化的絕熱指數。

1.2"CFD模擬方法

RCM燃燒缸內的燃料自燃及采樣過程使用ANSYS FLUENT軟件進行仿真，詳細的模擬方法可參考文獻［15，17］。RCM燃燒缸及采樣裝置的幾何結構均來自于西安交通大學RCM"［15］，可簡化為二維軸對稱特的計算域，如圖1所示。壓縮上止點后的燃燒缸長度約為30mm，通過一個內徑為"1mm 的采樣探針與采樣罐相連，采樣探針深入燃燒缸內10mm。在燃燒缸和采樣罐之間設置有一個虛擬的采樣閥，分隔兩個計算域，采樣時將其由壁面改為內部邊界和模擬采樣時兩計算域間的傳質過程。

計算域采用結構化網格劃分，不同活塞結構對應計算域網格數為74375～77327，其中燃燒缸內的最大網格尺寸為0.3mm，通過在壁面附近進行加密提高熱邊界層的分辨率（最小尺寸為0.02mm）。由于采樣時燃燒缸與采樣罐間存在極大的壓力梯度，采樣閥附近的網格進行了額外的加密（最小尺寸為0.001mm）。活塞的壓縮行程為300mm，并在25ms內完成壓縮。壓縮行程的最大網格尺寸擴大到0.5mm，使用層鋪的動網格方法實現活塞邊界的運動。為保證壓縮過程中的庫朗特數（局部速度×時間步長/網格尺寸）小于1，設置的時間步長小于"7μs；而采樣過程的計算時間步長則設置為0.2～"0.5μs，防止計算發散。本文CFD模擬使用的空間和時間分辨率與相關文獻中的設置一致或更優，Mittal等"［19］的模擬中使用了網格數14000和時間步長56μs，而Yousefian等"［20］的模擬中使用了網格數39019和時間步長4μs，CFD使用的網格及時間步長的無關性均進行了驗證。

CFD化學反應流中的物種方程通過CHEMKIN-CFD求解器計算，同時考慮物種擴散所導致的能量擴散。混合氣的密度通過理想氣體狀態方程求解，比熱、導熱系數、黏度及質量擴散系數均基于混合平均公式進行計算，計算所需參數來自于化學反應機理的熱力學和輸運文件"［14］。無化學反應的CFD計算除不求解物種方程外，其他設置保持一致。本文使用二維層流進行模擬，已有文獻［21］研究表明，二維層流可以較好地模擬RCM燃燒缸內的流動，且與三維大渦模擬得到的溫度和速度場十分接近。

1.3"工況設置及數據處理

RCM活塞縫隙容積的大小直接影響缸內的氣流擾動及溫度均勻性"［15］，因此本文選取前期工作中優化得到的縫隙活塞（縫隙容積7435mm3，縫隙活塞2）、縫隙容積減半的活塞（縫隙容積3703mm3，縫隙活塞1）以及平頭活塞（縫隙容積0mm3），定性地在燃燒缸內分別制造低擾動的均勻溫度場、中等擾動的半均勻溫度場及強擾動的非均勻溫度場。而絕對無擾動的溫度場則通過不考慮壓縮過程，直接在上止點后的定容腔體內設置指定溫度、壓力和混合氣組分，具體工況設置如表1所示。工況1～4代表的氣流擾動程度逐漸減小，對應壓縮上止點0時核心區最大渦量為12500～0s"－1。

0D和CFD方法計算得到的著火時刻均定義為上止點后因燃燒放熱導致的壓力升高率的最大值處，著火時刻和0時刻的時間間隔即為τ"IDT，如圖2所示。實際物種采樣研究中，為消除重復實驗中τ"IDT波動造成的采樣持續期偏差，定義無量綱時間τ為上止點后時間與τ"IDT的比值。在物種采樣模擬中，本文針對所述的兩種采樣結果采取了與實際采樣研究一致的數據處理方法：對于快速采樣方法，物種的采樣結果取自一定采樣持續期（采樣閥門開啟時間）后采樣罐內的平均值；對于整體凍結方法，采樣結果定義為采樣閥門不開啟下，整個燃燒缸腔體內的組分平均值。由于CFD在絕熱壁面、無流動的條件下可以得到與0D完全一致的結果"［22］，因此本研究中二者間計算結果（τ"IDT和物種濃度）的偏差均可歸結于多維因素的影響。

本文選取著火延遲期中間階段和臨近著火階段兩個典型時間τ=0.5，0.8進行快速采樣。為定量描述采樣結果，選擇C4H"10與CH2O作為檢測物種，分別代表燃料與反應中間物。為保證良好的時間分辨率，文獻［12，23］對于10～20ms范圍內的快速采樣實驗，設置其采樣持續期約為1.5～2.5ms。而對于長τ"IDT（100ms左右）的工況，邊界層厚度增加，延長采樣持續期可以增大來自核心區氣體進入采樣罐的比例。考慮結果的準確性和采樣時間分辨率，快速采樣持續期最佳范圍為2～3ms，最大不應超過5ms"［17］。因此，本文設置快速采樣持續期為2、"5ms，對比不同采樣持續期對氣流擾動作用下燃料NTC區域內快速采樣結果的影響。

2"結果與討論

2.1"流場擾動對溫度分布及τ"IDT的影響

工況1～4在無反應條件下的缸內溫度場分布如圖3所示，同時也反映了缸內的流場擾動。壓縮過程中平頭活塞的頭部形成了一個大的渦旋，并在活塞的推動下向前移動。壓縮上止點τ=0時，在燃燒缸中心形成了一條冷氣塞，缸內的初始擾動隨時間逐漸擴展了燃燒缸內的其他部分，τ=0.7時已覆蓋至整個燃燒缸腔體。當使用縫隙容積為3703mm3的縫隙活塞1時，上止點時的缸內氣流擾動被極大抑制，僅在活塞頭部的外側形成了一個小尺度的渦旋，τ=0.7時燃燒缸軸線附近區域仍未受到冷氣流干擾。而當使用縫隙活塞2時，上止點處的燃燒缸內溫度分布非常均勻，即使到τ=0.7時大部分區域氣體仍未受擾動，僅在活塞縫隙的入口處形成了一個較小的渦旋。工況4為平頭活塞且無壓縮過程，氣流擾動被消除，僅存在熱邊界層影響。上述結果表明，所選的活塞構型定性地實現了不同氣流擾動和溫度場分布的目的，從平頭活塞到無壓縮的4種工況分別對應上述強擾動非均勻溫度場到無擾動均勻溫度場的工況。

RCM缸內溫度均勻性直接影響其τ"IDT數據的有效性，通常認為均勻的溫度分布使RCM絕熱核心假設"［7］成立，燃料經歷的溫度可以被0D反應器模擬，進而可以結合“準確”的化學反應動力學機理對τ"IDT進行預測。由于獲得的物種濃度數據是燃料自著火過程時間的函數，因此準確的τ"IDT測量也是RCM物種采樣的前提。為探究氣流擾動對τ"IDT結果的影響，本文選取寬溫度范圍內工況1～3獲得的CFD及0D的τ"IDT結果進行了比較，如圖4所示。圖4中壓縮終點壓力為2MPa，溫度為663～910K，散點為CFD模擬結果，曲線為0D模擬結果，0D模擬和CFD仿真得到的τ"IDT均表現出NTC效應，3種工況下0D模擬得到的τ"IDT曲線基本一致，而強擾動工況1對應的CFD模擬結果在低溫范圍內出現了較大的偏差。

工況1～3 τ"IDT測量誤差隨溫度的分布曲線如圖5所示，低溫區中τ"IDT對氣流擾動較為敏感。工況1（強擾動作用下）燃燒缸內平均溫度低于理想絕熱溫度，導致混合氣的τ"IDT大幅延長。工況2存在中等擾動，但是CFD預測的τ"IDT誤差與工況3接近。這是因為，盡管出現了冷氣流擾動，燃燒缸內仍存在明顯的絕熱核心區域，核心區域溫度變化與理論絕熱值吻合。工況3中存在明顯絕熱核心，τ"IDT也與0D結果十分吻合；NTC區域中核心區部分氣體溫度小幅降低反而會導致局部反應活性的增強，與更低溫度氣體造成的活性削弱作用相抵消，因此τ"IDT受氣流擾動影響的敏感性降低，不同擾動工況的τ"IDT與0D結果均較為接近；高溫區中τ"IDT對氣流擾動敏感性相較于NTC區域有所提高，工況1、2的τ"IDT誤差高于NTC區，但相較于低溫區，誤差仍處于較小水平。這主要是由于燃燒缸內仍有部分氣體溫度處于NTC溫度范圍，其活性抵消作用依然存在。對于絕對無擾動的工況4，文獻［17，22］研究表明，τ"IDT誤差僅約為2%。

NTC上限溫度處（采樣工況點），工況3的τ"IDT的相對誤差為正（CFD方法高于0D方法），工況1的相對誤差為負，而具有中等氣流擾動的工況2的相對誤差反而最小。這是因為一階段放熱后，燃燒缸核心區的壓力升高會驅動部分氣體進入活塞縫隙中，導致實際溫度、壓力的增加較0D減少，如圖2所示，因此，與0D模擬相比，工況3中CFD得到的主著火時間被推遲，τ"IDT增大。對于工況1，強擾動造成燃燒缸內低溫區域增加，受NTC效應的影響，這些低溫區域的化學反應活性增強，τ"IDT減小，因此表現為負偏差。工況2的活塞縫隙容積及氣流擾動程度均介于工況1、3之間，在二者共同作用下，誤差相互抵消，因此在采樣處表現出最小的相對誤差。

2.2"流場擾動對物種濃度分布及采樣影響

為探究NTC區域內流場擾動對采樣結果的影響，本文設置NTC溫度上限處為采樣工況點，如圖5所示。由于熱邊界層及冷氣流擾動區域的氣體溫度均低于絕熱核心溫度，因此在NTC溫度上限進行采樣，可以最大程度體現NTC效應對采樣結果的影響，同時保證τ"IDT數據的有效性。

τ=0.5，0.8時，不同工況下燃燒缸內的C4H"10與CH2O分布如圖6所示。工況1強烈的氣流擾動加劇了物種分布的不均勻性。受NTC效應的影響，燃燒缸中低溫擾動區域的燃料（C4H"10）濃度偏低，而中間產物（CH2O）濃度偏高，這與非NTC工況下氣流擾動的影響規律相反。工況2中，氣流擾動強度降低，擾動區出現與工況1類似的情況。燃燒缸其余部分不存在氣流擾動，熱邊界層中局部在NTC效應的影響下出現偏高的燃料消耗及中間產物生成。工況3、4氣流擾動被極大程度的抑制，NTC的影響集中在熱邊界層，絕熱核心區物種分布均勻。

本文探究了快速采樣法和整體凍結法2種典型采樣方法受流場擾動的影響，如圖7所示，圖中上半部分表示燃料，下半部分表示中間產物。快速采樣結果繪制在采樣持續期中點，水平方向的誤差棒設置為持續時間的一半（±1ms，±2.5ms），與文獻［23-24］所采用的方法相同。整體凍結法和0D模擬結果在整個τ"IDT范圍內繪制。

2.2.1"整體凍結法

整體凍結法與0D模擬方法結果變化趨勢相似：初始階段，C4H"10質量分數下降緩慢，τ=0.75之后，下降速度增大；中間產物CH2O的物種質量分數在初始階段均接近0%；隨后CH2O質量分數逐漸上升，在τ=0.8附近達到最大值后快速降低。

反應中前期，即τ lt; 0.7時，4種工況下整體凍結法的采樣結果均呈現燃料偏低，而中間產物偏高的現象，與非NTC工況下采樣結果被稀釋的規律相反"［17］。這是由于氣流擾動導致燃燒缸內出現局部的低溫區域，在NTC效應的作用下局部C4H"10消耗速率及CH2O生成速率增高，導致采樣結果中C4H"10質量分數低于準確值，CH2O高于準確值，即反向稀釋。從工況1到工況4，隨著氣流擾動的降低，整體凍結法的采樣誤差逐漸減小。熱邊界層及活塞縫隙中還存在少部分溫度更低（NTC溫度下限至壁溫）的氣體，仍會產生一定的正向稀釋，與反向稀釋效應相抵消。總體而言，氣流擾動帶來的反向稀釋效應產生的誤差更大，采用縫隙活塞抑制氣流擾動能夠有效提高整體凍結采樣結果的準確性。反應末期，即τ gt; 0.8時，0D模擬結果中的C4H"10、CH2O質量分數均逐漸下降到0%，而整體凍結采樣結果中的C4H"10、CH2O均存在一定量的殘余，這主要是由于散熱導致的熱邊界層內燃料及中間組分無法完全反應的結果，特別是當活塞縫隙存在時，縫隙中高速的氣流運動使其散熱更為嚴重，進入活塞縫隙中的反應物及中間產物更難以發生后續的反應。對于工況2、3，隨著活塞縫隙容積的增加，反應末期殘留的燃料和中間產物濃度也逐漸增多，而工況1（無活塞縫隙）強擾動的存在會破壞穩定的熱邊界層，加劇了熱邊界層和內部氣體組分的擴散，因此其組分殘余量最少。

采用合適的活塞縫隙可有效抑制氣流擾動，此時整體凍結的采樣誤差主要來源于熱邊界層和活塞縫隙中較低溫度的氣體。整體凍結采樣的研究中"［14］可以引入稀釋比對活塞縫隙產生的稀釋效應進行修正，而熱邊界層的存在對整體凍結采樣結果影響同樣顯著。當前燃燒缸尺寸下，熱邊界層厚度為1mm時，其總體積約為8635mm3，甚至略大于與工況3活塞縫隙容積7 435mm3，且隨著散熱的持續時間增加，熱邊界層厚度越大，造成的影響也越大。

2.2.2"快速采樣法

由快速采樣法的結果可知，隨著氣流擾動程度的減小，采樣結果與0D結果的偏差呈減小趨勢。特別的，當采樣持續期為2ms、τ=0.5時工況1中的快速采樣結果與整體凍結法基本一致，這是因為強擾動削弱燃燒缸內的物種濃度梯度，進入采樣探針的混合氣成分接近于燃燒缸內的平均水平。而工況2中，快速采樣得到的兩物種質量分數與0D模擬的結果相對更為接近，這是因為采樣探針附近存在較強程度的氣流擾動，氣體溫度下降程度較大，NTC作用下的反向稀釋與更低溫度氣體的正向稀釋相抵消的結果。工況3、4中的氣流擾動程度更小，采樣結果的誤差主要來源于探針表面形成的熱邊界層的反向稀釋作用，因此其采樣結果均呈現燃料濃度略微偏低而中間產物略微偏高的現象。

探針內固有氣體與其壁面熱邊界層氣體在采樣初始階段被采集，之后核心區氣體進入采樣罐。延長采樣持續期可以增加來自核心區氣體的比例，因此本文還探究了采樣持續期為5ms時的采樣精度。結果表明：τ=0.5時，延長快速采樣持續期對結果影響很小，兩種持續期的結果基本處于同一趨勢；當τ=0.8時，持續期5ms的采樣結果更接近于標準值。這是因為反應中期混合氣的溫度處于NTC范圍，熱邊界層及探針內部分氣體（高溫部分）的反向稀釋效應與另一部分氣體（低溫部分）產生的正向稀釋相抵消，采樣精度隨核心區氣體比例的增加變化不明顯；而接近著火時，受一階段反應放熱的影響，燃燒缸內氣體的溫度已升高至NTC范圍外，且物種濃度變化劇烈，較長的采樣持續期使更多反應后期的氣體組分進入，抵消了熱邊界層及探針內固有氣體的稀釋作用，因而精度提高明顯。

2.3"不同采樣方法適用性分析

反應中期，兩種采樣方法在不同擾動工況下采樣結果的相對誤差如圖8所示。隨著燃燒缸內氣流擾動的減小，兩種方法的采樣誤差總體呈現減小趨勢。工況1～3，整體凍結法的采樣誤差單調降低，工況4的誤差略有提升，而快速采樣法在工況2下出現了明顯的局部偏差較小的現象，這是由于前文提及的正反向稀釋效應抵消的結果。NTC范圍內，當燃燒缸內的強氣流擾動得到抑制時，快速采樣法的精度提高更為明顯，而進一步降低氣流擾動對兩種方法采樣精度的提升作用均有限。

以上研究表明，NTC范圍內快速采樣法的結果具有更強的魯棒性，實驗中即使燃燒缸內存在一定程度的氣流擾動，其采樣結果的準確性依然能夠得到保證。整體凍結法適用于反應中前期的采樣，且需保證燃燒缸內具有較為均勻的流場分布，其采樣精度與快速采樣法相當。反應后期接近著火時，整體凍結的采樣方法由于受到燃燒缸壁面熱邊界層和活塞縫隙中殘余氣體的影響，采樣結果的偏差較大，實際研究應用中需進行修正。快速采樣法在臨近著火時刻仍可以得到較為準確的結果，此時應主要考慮時間方向的誤差。

3"結"論

本文基于RCM反應器，采用CFD與0D數值模擬方法，對C4H"10混合物在NTC區域自燃過程的物種采樣不確定度進行了研究，對比了不同氣流擾動情況下混合氣τ"IDT以及兩種典型采樣方法的物種濃度結果。以0D模擬結果為基準，獲得了燃燒缸內氣流擾動程度對τ"IDT和不同采樣方法物種濃度結果準確性的影響規律。

（1）低溫區中τ"IDT對氣流擾動較為敏感，強氣流擾動下，燃燒缸內平均溫度低于理想絕熱溫度，混合氣的τ"IDT大幅延長，而當燃燒缸內存在明顯絕熱核心時，即使存在一定程度的氣流擾動，τ"IDT與0D結果仍十分吻合；NTC區域中τ"IDT對氣流擾動敏感性較低，不同擾動工況的τ"IDT與0D結果均較為接近；高溫區中τ"IDT對氣流擾動敏感性相較于NTC區域有所提高，氣流擾動帶來的τ"IDT誤差高于NTC區，但相較于低溫區，誤差仍處于較小水平。

（2）整體凍結法與0D模擬的物種濃度結果變化趨勢相似。反應中前期，不同氣流擾動工況下的采樣結果均呈現燃料偏低，而中間產物偏高的現象；反應末期，由于散熱導致的熱邊界層內燃料及中間組分無法完全反應消耗，0D模擬結果中的燃料和中間產物質量分數均逐漸下降到0%，而整體凍結采樣結果中的燃料和中間產物均存在一定量的殘余。

（3）對于快速采樣法，隨著氣流擾動程度的減小，采樣結果與0D結果的偏差呈減小趨勢。燃料NTC效應的影響下，氣流擾動帶來的反向稀釋與采樣的系統誤差存在抵消現象。反應中前期，不同持續期的結果基本處于同一趨勢；反應后期，較長持續期的采樣結果更接近于標準值。

整體而言，NTC范圍內的快速采樣結果具有更強的魯棒性，實驗中即使燃燒缸內存在一定程度的氣流擾動，其采樣結果的準確性依然能夠得到保證。整體凍結法適用于反應中前期的采樣，且需保證燃燒缸內具有較為均勻的流場分布，其采樣精度與快速采樣法相當。

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（編輯"趙煒）