缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟

DOI: 10.16236/j.cnki.nrjxb.201805050

内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE

Vol.36（2018）No.5

缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟

范新雨，苏万华

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

摘要：采用数值模拟的方法，研究了天然气缸内直喷自由射流、撞壁射流以及涡旋结构在直口、缩口和敞口3种燃烧室形状中的形成过程，并在此基础上设计了适用天然气缸内直喷混合气形成的新型燃烧室．结果表明：采用较小的喷射夹角可以改善射流撞壁过程，提高混合气形成质量；喷射夹角为80° 时，缩口燃烧室中，附壁射流脱壁后涡旋结构中燃料不易扩散，天然气混合速度较低，直口燃烧室和敞口燃烧室天然气混合速度接近．3种燃烧室形状中天然气射流混合过程会经历3个重要转折点：自由射流撞壁、附壁射流脱壁以及涡旋结构生长和扭曲阶段，其中在涡旋结构生长和扭曲阶段气体燃料与空气快速混合．最后，根据天然气射流在缸内混合过程设计出脱壁型燃烧室(SACC)，大大增加形成可燃混合气的燃料比例，并能提高混合气的均匀度． 关键词：天然气；缸内直喷；燃烧室形状；气体射流混合；混合气形成

中图分类号：TK432 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2018)05-0385-08

Simulation on Mixing Process of Natural Gas Jet in

Direct-Injection Engines

Fan Xinyu，Su Wanhua

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：Formation processes of free-jet，impinging-jet and vortex in direct-injection natural-gas engine with three

different chambers were researched by numerical simulation．Then，a new chamber was designed suitable for the di-rect-injection natural-gas engine．This study suggests that，when spray angle is reduced from 100° to 80°，the quality of mixture is improved by the gas jet impinging process．For the spray angle of 80°，a slower mixing rate of natural gas presents in the contracted-carve chamber because it is hard for natural gas to diffuse in the vortex flow structurewhich is formed after the separation of wall-jet from wall in this chamber．The mixing rates of natural gas are close in both open-carve and vertical-carve chambers．Among those three chambers，the mixing process of natural-gas jet undergoes three indispensable processes including free-jet impinging，wall-jet separation from chamber wall，and vortex structure growing and distorting stage．The mixing rate of natural gas and air is rapid at the last stage．Finally，the separation advanced combustion chamber(SACC)was designed based on the mixing process of natural-gas jet in chambers．It is found that the SACC increases the mass friction of fuel in flammable mixture and the homogeneity ofmixture obviously.

Keywords：natural gas；direct injection；combustion chamber shape；mixture of gas jet；mixture formation

随着天然气发动机的快速发展，相比进气道喷射，缸内直喷天然气发动机由于其能够避免容积效率下降，并且能够降低未燃碳氢及爆震可能性[1]，逐渐成为研究重点．在直喷天然气发动机中，由于天然气相比柴油和汽油的密度较低，在喷射过程中即使具有

收稿日期：2017-11-10；修回日期：2018-03-24. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51236005).

较高的射流速度，但天然气射流动量依旧较低，与空气混合速度较低，此时更加需要组织缸内气流运动促进天然气与空气混合[2]．

在天然气缸内直喷的研究中，关于自由射流和撞壁射流的研究有助于理解天然气在缸内混合过程．

作者简介：范新雨，硕士，E-mail：tjufanxinyu@tju.edu.cn.

通信作者：苏万华，中国工程院院士，教授，E-mail：whsu@tju.edu.cn.

·386· 内 燃 机 学 报 第36卷 第5期

Song等[3]在对自由射流和撞壁射流的研究中发现，自由射流撞壁后可有效抑制过稀混合气的形成，并能够在一定程度上促进可燃混合气的形成．Song和Yu等[3-4]将气体射流撞壁过程分为瞬态自由射流阶段、撞壁射流初始阶段、撞壁射流发展阶段以及撞壁射流结束阶段．

目前，关于缸内直喷天然气发动机的研究主要针对压缩比较小的点燃式发动机，且在进气过程开始喷气，缸内容易形成过稀混合气，而喷油器也多采用提升阀[5]．在使用孔式喷油器的研究中，Yadollahi等[6]以汽油机为基础在不同燃烧室形状中模拟了天然气缸内直喷的混合过程，研究表明：窄坑燃烧室能够形成很好的分层混合气，但在余隙中存在很多混合气；相比单孔喷油器，采用多孔喷油器可以有效减少浓混合气．Sukumaran等[7]对缸内直喷氢气发动机进行模拟研究，发现由于射流速度高、喷气之后氢气射流很快与燃烧室碰撞，早喷能够更好地形成均质混合气，将喷油器靠近进气门布置能够利用射流与进气流动的相互作用使混合气均质度更高．

在以上关于气体发动机燃烧室结构的研究中，对气体燃料在燃烧室内的混合过程研究较少，笔者将以直口、缩口和敞口燃烧室为研究对象，从自由射流、附壁射流和涡旋结构发展过程研究天然气射流在缸内的混合过程，在此基础上对燃烧室结构进行优化设计，从而加快天然气与空气混合速率，并提高混合气均质度．

1 数值模型验证

对气体喷射过程的模拟使用的是Baratta等[5]采

用的流动模型进行模拟，该模型在模拟过程中需要对喷嘴内部的几何结构进行三维建模，并在喷嘴入口边界指定喷射气体压力pin、温度Tin等边界条件，模型建立示意如图1所示．

图1 单喷孔气体喷射模型示意

Fig.1 Diagram of gas injection model with one hole

Li等[8]

指出，采用上述气体喷射模型时喷嘴内部径向网格数大于10层时比较适合气体喷射过程的模拟．除此之外，Yadollahi等[6]在研究中还发现，气体射流发展区的网格过渡层位置对模拟稳定性具有很大的影响．同时Li等[9-10]在研究中还发现，采用自适

应网格(adaptive mesh refinement，AMR)算法进行网格划分可以有效消除上述过渡层位置对计算带来的影响．因此，在Baratta等[5]所使用数值模拟方法的基础上，在网格划分过程保证喷嘴内部径向网格数大于10层，同时还在射流发展区使用基于气体流速和天然气浓度的AMR算法进行网格划分．

模拟研究选用软件为CONVERGE，模拟过程中湍流模型选用RNG k-ε湍流模型，该湍流模型可以模拟瞬态缸内流动并且计算时间比较合理[7]． 1.1 气体自由射流

为了验证气体喷射模型的准确性，选用Ouellette等[11]的研究数据对自由射流过程进行验证，模拟与

Ouellette等[11]研究中的喷射条件如表1所示．

表1 模拟与Ouellette等使用的喷射条件

Tab.1 Injection condition of simulation and Ouellette et al

参数 数值

气缸容积/L 0.11 喷射压力/MPa 15(Tin＝350,K) 缸内压力/MPa 5(Tch＝850,K)

缸壁温度/K 450 喷嘴直径/mm 0.5

缸内初始湍动能/(m2

·s-2) 1.5

图2中对模拟结果与Yadollahi和Ouellette 等[6,11]的气体射流轴向贯穿距数据进行了对比，

来自Yadollahi和Ouellett等[6,11]

的对比数据均在相应参考文献中得到验证．模拟得到的气体射流轴向贯穿距与Yadollahi和Ouellette等[6,11]的数据吻合度较好，所选射流模型在该状态下能够较准确地预测气体射流轴向贯穿距的发展．

图2 气体射流轴向贯穿距对比

Fig.2 Comparison of gas jet axial penetration

1.2 气体射流撞壁

采用的气体喷射模型对射流撞壁过程模拟准确性进行验证，选用Yu等[4]以氮气为研究对象的气体射流撞壁试验．其采用的喷气压力为0.7,MPa，喷气持续期为3.0,ms，环境条件为293.15,K和0.1,MPa．将试验装置进行简化[4]，模拟过程建立的三

2018年9月 范新雨等：缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟 ·387·

维模型如图3所示．其中斜板与水平面夹角为7°，喷嘴出口中心到平板的轴线距离L为33,mm．

（a）三维模型

（b）x-z截面

图3 撞壁射流模拟三维模型

Fig.3 3D model used to simulate impinging-jet

模拟过程初始条件与Yu等[4]

试验条件相同，模拟结果如图4所示．图中左侧为Yu等[4]得到的试验时间平均图像，右侧为模拟得到的氮气质量分数切片．试验中使用PLIF拍摄的图片能够看到小尺度湍流结构，而模拟过程中采用的RANS湍流模型是将非稳态的N-S方程对时间作平均，求解的工程量为时均值，因而无法得到尺度相对较小的湍流结构，造成了模拟和试验之间存在一定的差别．

（a）喷射时间为1.5,ms

（b）喷射时间为1.7,ms

（c）喷射时间为2.8,ms

图4 撞壁射流模拟与试验结果对比

Fig.4 Comparison between impinging-jet simulation and

experiment

通过对自由射流和射流撞壁过程的模拟验证发现，选用的气体喷射模型能够准确地描述气体自由射流和撞壁射流发展过程．

2 燃烧室形状对缸内天然气射流混合过程的影响

该部分采用数值模拟的方法，研究不同燃烧室形状对天然气缸内直喷混合过程的影响．为使气体喷嘴出口流动达到拥塞状态，以保证喷嘴出口气体流量最大，同时为加强气体贯穿能力，研究中选用喷气压力为10,MPa，天然气选用甲烷替代进行研究．发动机模拟条件如表2所示，研究所选用燃烧室形状如图5所示．

表2 发动机模拟条件

Tab.2 Simulation condition of engine

参数 数值 缸径/mm

126 活塞行程/mm

155

压缩比 17 涡流比 1.2 进气门关闭时刻/(°)CA ATDC

－146

缸内初始压力/MPa 0.13 缸内初始温度/K 330

气体喷射压力/MPa 10 喷孔直径/mm 1

喷孔数量

6(均布)

（a）直口

（b）缩口

（c）敞口

图5 3种燃烧室结构(单位：mm) Fig.5 Structure of three chambers

·388· 内 燃 机 学 报 第36卷 第5期

为避免在喷射过程天然气直接进入余隙容积，在研究过程中分别采用80°、100°的喷油夹角．模拟过程中，网格划分同样采用AMR算法，根据甲烷的质量分数以及速度进行自适应网格划分，子网格尺度分别设为1%,和1,m/s．

图6和图7中分别给出了-24°CA ATDC时，3种形状燃烧室中自由射流的撞壁位置、撞壁距离以及 缸内动量变化．图6所示喷射夹角为80°时自由射流与燃烧室底面碰撞，而喷射夹角为100°时自由射流与燃烧室侧面碰撞，随着活塞向上运动后者会与燃烧室底面圆弧段碰撞，造成更大的动量损失，如图7所示．敞口燃烧室与直口燃烧室中，自由射流撞壁过程相近，因而两种燃烧室内平均动量相差不大；而在缩口燃烧室中，当喷射夹角为80°时，自由射流撞壁后距离燃烧室坑部侧面较远，使得动量损失降低；而喷射夹角为100°时，缩口燃烧室中自由射流撞壁距离

（a）直口燃烧室 （b）直口燃烧室 (喷射夹角为80°)

(喷射夹角为100°)

（c）缩口燃烧室 （d）缩口燃烧室 (喷射夹角为80°)

(喷射夹角为100°)

（e）敞口燃烧室 （f）敞口燃烧室

(喷射夹角为80°)

(喷射夹角为100°)

图6 3种燃烧室在-24° CA ATDC时自由射流撞壁位置Fig.6 Impinging positions in three chambers at -24° CA

ATDC

图7 喷气后燃烧室内平均动量变化

Fig.7 Change of mean momentum in chambers after

injection

较大也有利于降低动量损失，因而缩口燃烧室中缸内平均动量较大．

图8和图9中给出了－19°CA ATDC时自由射流撞壁形成的附壁射流的发展状态，其中周向切片(图中右侧扇形)距离气缸头部为15,mm．喷射夹角为80°和100°时，自由射流撞壁后均沿燃烧室壁面继续向四周发展，在自由射流前端壁面形成正向附壁射流a、自由射流后方壁面形成逆向附壁射流b，同时沿燃烧室壁面周向形成附壁射流．随着正向附壁射流继续向前发展，射流前端在空气阻力的作用下卷起初步形成涡旋中心，如图8、图9径向切片中圆圈所示. 当周向附壁射流发展到一定程度，相邻周向附壁射流发生碰撞，喷射夹角为100°时自由射流撞壁后在燃烧室壁面的作用下使更多燃料形成周向附壁射流，此时相邻周向附壁射流碰撞也形成壁面射流，在涡流作用下发生偏移，如图9周向切片中的圆圈 所示.

（a）直口燃烧室

（b）缩口燃烧室

（c）敞口燃烧室

图8喷射夹角为80°在-19° CA ATDC时混合气分布 Fig.8Mixture distribution at -19° CA ATDC with spray

angle of 80°

图10给出-11°CA ATDC时天然气在燃烧室内的混合状态．3种燃烧室内挤流运动的流态和强度差异很大，从而对射流在不同阶段的形态产生很大影响．喷射夹角为80°时，正向附壁射流在挤流的作用下离开壁面，形成向燃烧室中心运动的涡旋结构；相邻周向附壁射流碰撞后的燃料，在缸内涡流的作用下沿燃烧室周向逆时针运动，同时这部分还向气缸头部运动，并在气缸头部形成局部燃料浓区，如图10a和图10c所示．但在缩口燃烧室中由于缩口燃烧室中的

2018年9月 范新雨等：缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟 ·3·

（a）直口燃烧室

（b）缩口燃烧室

（c）敞口燃烧室

图9 喷射夹角为100°在-19° CA ATDC时混合气分布

Fig.9 Mixture distribution at -19° CA ATDC with spray

angle of 100°

圆弧壁面使附壁射流脱壁后形成更强的涡旋结构，大部分燃料被涡旋结构束缚，使得此时燃料不会在气缸头部集聚如图10b所示．而喷射夹角为100°时由于周向附壁射流间碰撞较强烈，使得缸内无法正常形成涡旋结构，如图10d～图10f所示．

图11为3种燃烧室在上止点时混合气形成情况．由图11a和图11c中可以看到，直口和敞口燃烧室中在气缸头部的局部燃料浓区依然存在，但由于天然气不断与空气混合，燃料浓区已经减少．当喷射夹角为100°时，由于燃烧室内燃料之间剧烈的相互碰撞，此时缸内浓混合气比喷射夹角为80°时更多，如图11d～图11f所示．

为了能够定量描述天然气与空气的混合过程，根据混合气的可燃性，将缸内混合气定义为过稀、适度和过浓混合气3种，并且将相对空燃比在0.8到1.4之间的混合气定义为适度混合气[5]．并定义可燃混合气中燃料的质量分数ff、稀混合气中燃料的质量分数fl以及浓混合气中燃料的质量分数fr，如式(1)～(3)所示．

ff=mf/m总 (1)

fl=ml/m总 (2)

fr=mr/m总 (3)式中：m总为缸内燃料总质量；mf为适度混合气中燃

料质量；ml为过稀混合气中燃料质量；mr为过浓混合气中燃料质量．

（a）直口燃烧室(喷射夹角为80°)

（b）缩口燃烧室(喷射夹角为80°)

（c）敞口燃烧室(喷射夹角为80°)

（d）直口燃烧室(喷射夹角为100°)

（e）缩口燃烧室(喷射夹角为100°)

（f）敞口燃烧室(喷射夹角为图103种燃烧室在-11° CA ATDC

100°)

时混合气分布

Fig.10Mixture distribution at -11° CA ATDC in three

chambers

图12给出了喷气开始后燃烧室内ff、fl和fr的变化．根据对天然气射流在燃烧室内发展过程的分析，气体燃料缸内混合过程要经历的历程为自由射流撞壁(竖直虚线)、附壁射流脱壁(竖直点划线)以及涡旋结构生长和扭曲(竖直双点划线)．在自由射流撞壁前，燃烧室形状以及喷射夹角对天然气混合几乎不产生影响，如图中竖直虚线之前部分所示．图中竖直虚线与竖直点划线之间的曲线表示从自由射流撞壁到附壁射流脱壁过程，自由射流在撞壁点附近的燃烧室壁面形成附壁射流，由于该过程天然气在燃烧室壁面的积聚，气体燃料几乎不发生混合，且在这种燃料积

·390· 内 燃 机 学 报 第36卷 第5期

聚作用下形成稀混合气的燃料比例下降，与Song 等[3]的研究结果相同．在附壁射流脱壁后，射流前端开始在挤流的作用下形成向燃烧室中心发展的涡旋结构，涡旋结构能够大量卷吸空气，气体燃料与空气混合速率加快．涡旋结构进入生长和扭曲阶段后(竖直双点划线之后)，形成可燃混合气的燃料比例迅速增加，这是由于此时涡旋结构迅速生长，对空气卷吸速率大大增加，该阶段与Yu等[4]的研究相符．由图11可知，3种燃烧室形状中，喷射夹角为80°时，直口燃烧室混合速度最快，缩口燃烧室天然气混合速率最慢．可以发现3种燃烧室中喷射夹角为80°时的混合效果都要优于100°喷射夹角，这主要是由于喷射夹角为100°时燃料由于相邻周向附壁射流碰撞引起大量燃料积聚．

（a）直口燃烧室(喷射夹角为80°)

（b）缩口燃烧室(喷射夹角为80°)

（c）敞口燃烧室(喷射夹角为80°)

（d）直口燃烧室(喷射夹角为100°)

（e）缩口燃烧室(喷射夹角为100°)

（f）敞口燃烧室(喷射夹角为100°)

图11 3种燃烧室在上止点时混合气分布

Fig.11 Mixture distribution at TDC in three chambers

（a）ff

（b）fI

（c）fr

图12 气体燃料缸内混合过程ff、fl和fr的变化 Fig.12Changes of ff，fl and fr during mixing process in

cylinder

3 燃烧室结构优化

通过以上对天然气射流在燃烧室内混合过程的研究发现，在天然气射流缸内混合过程，自由射流撞壁过程会造成大量的动量损失，附壁射流阶段天然气几乎不与空气混合，涡旋结构进入生长和扭曲阶段后天然气开始与空气快速混合．因此，降低气体射流撞壁的动量损失、缩短气体射流附壁时间可以增加天然气的有效混合时间，从而促进天然气在缸内的混合．因而重新设计的脱壁型燃烧室(separation ad-vanced combustion chamber，SACC)如图13所示，结

2018年9月 范新雨等：缸内直喷天然气射流混合过程的数值模拟 ·391·

构a用于降低气体射流撞壁造成的动量损失；结构b可以使附壁射流提前脱壁，缩短射流附壁时间，从而达到增加天然气有效混合时间的目的．该燃烧室中使用喷射夹角为60°．

图13 新型燃烧室结构示意 Fig.13 Structure of new chamber

图14为SACC燃烧室内天然气混合过程燃氧当

量比分布．与前文中的燃烧室不同，该燃烧室中附壁射流脱壁后形成“蘑菇形”涡旋结构，增加天然气与空气接触面积，有利于加强空气卷吸作用．天然气射流发展过程，相邻附壁射流发生碰撞后部分燃料形成向燃烧室头部的运动，并在气缸头部形成局部燃料浓区，如图14b所示．到上止点时，混合气逐渐均匀，如图14c所示．

（a）-16°,CA ATDC

（b）-5°,CA ATDC

（c）TDC

图14 SACC燃烧室内不同时刻混合气分布

Fig.14 Mixture contribution in SACC at different timing

图15给出了SACC燃烧室内气体燃料混合过程ff、fl和fr的变化．气体燃料缸内混合过程同样经历自由射流撞壁(竖直虚线)、附壁射流脱壁(竖直点划线)以及涡旋结构生长和扭曲(竖直双点划线)．与图11中的3种燃烧室相比，在SACC燃烧室中附壁射流时间大约缩短4°CA，由于附壁射流期间燃料与空气几乎不混合，附壁射流提前脱壁会大大增加气体燃料与空气的有效混合时间．

为评价在上止点附近混合气的均匀程度，引用

Park等[12]定义的混合气不均匀度．使用每个网格内的气相物质质量定义计算区域内的统计平均当量 比，即 Φ=#cells

∑⎛#cells⎞−1

Φimi⋅⎜∑mi(4)

i⎝i⎟⎠

计算区域当量比的标准差为 #cells−1 φSD=

∑i(Φ−Φ2m⋅⎛#cellsi)⎜⎝∑m⎞i(5)

ii⎟⎠ 最后得到当量比的归一化标准差为

NSD=φSD/Φ (6)

式中：Φi和mi分别为第i个网格内的当量比和质量；

#cells

∑

为对所有计算网格求和．不均匀度越高，混合气

i

均质性越差，该值即为评价混合质量的不均匀度．

图15SACC燃烧室内气体燃料混合过程ff、fl和fr

的变化

Fig.15Changes of ff，fl and fr in SACC during mixing

process

图16给出了SACC燃烧室与前文燃烧室在上止点时混合气不均匀度和ff的对比，通过附壁射流提前脱壁增加有效混合时间以及“蘑菇形”涡旋结构，SACC燃烧室内混合气均匀度大大提高，且有更多燃料形成可燃混合气．

图16上止点时SACC燃烧室与其他3种燃烧室混合气

不均匀度和ff的对比

Fig.16Comparison of inhomogeneity and ffbetween

SACC and three base chambers at TDC

4 结 论

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［6］ Yadollahi B，Boroomand M. The effect of combustion

(1) 关于喷射夹角的研究表明，射流与燃烧室曲

面碰撞时，可能会干扰后续射流的撞壁过程，适当减小喷射夹角有利于提高天然气与空气混合速率．

(2) 根据天然气射流缸内发展过程，天然气缸内混合过程历经自由射流撞壁、附壁射流脱壁以及涡旋结构生长和扭曲，其中自由射流撞壁后可以有效控制过稀混合气的形成，涡旋结构进入生长和扭曲阶段后气体燃料与空气开始快速混合．

(3) 喷射夹角为80°时，缩口燃烧室中，附壁射流脱壁后涡旋结构不易扩散，天然气混合速度较低，直口燃烧室和敞口燃烧室天然气混合速度接近．

(4) 新型燃烧室(SACC)通过缩短附壁射流时间，增加天然气的有效混合时间，同时在燃烧室内形成“蘑菇形”涡旋结构能够提高气体燃料与空气混合速率，使得适度混合气的燃料比例大大增加，并能提高混合气的均匀性，最终在喷气后30°,CA燃烧室内混合气的不均匀度仅为0.45． 参考文献：

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