爆震燃烧现象的研究及其特性分析

爆震燃烧现象的研究及其特性分StudyandCharacteristicysisonKnocking(交通大学摘要:本文采用了Covege软件，耦合了化学反应动力学机理和G方程，建立了长方体定容的爆震燃烧三维FD燃烧应用于发动机上提供坚实的数据支持。:爆震、发动机、CFD、压力:ThispaperusestheConvergesoftwareandcoupleschemicalreactionkineticsmechanismwithG-Equationtobuilda3DComputationalFluidDynamics(CFD)modeloftheknockingcombustioninaconstantvolumecombustionchamber.Thepressureoscillatingphenomenoninithasbeensimulated.Theinfluencesoftheinitialpressure,theinitialmixturetemperatureandtheendwalltemperatureonknockingcombustionhavebeenyzedindependently.Thisstudyprovidessoliddatasupportfortheapplicationoftheefficientknockingcombustiontotheengine.Knocking、Engine、CFD、Pressure绪爆震燃烧现象简爆震(Knocking，又称Deflagration)是火花点火发动机常在压缩比较高时出现的一种的爆震燃烧研究意机和环境污染的日益加剧，更加严格的排放被提出，意味着对发动机技术提出了更高的要求，发动机热效率的提高设置了[6]。爆震现象对于发动机不一定都是有害的，研究和实验证明了轻微爆震不会破坏发动机的正常运PDE7。热效率高于等压燃烧。若既能提高发动机的压缩比，又能合理有效地利用爆震，发动机的热效率将会得到极大的提高，也会大幅降低温室气体的排放。要合理利用爆震必须对爆震现象及其机理和特爆震燃烧Mallard和Le.Charelier等人于1882年在进行火焰试验时发现了爆震现象[8]。Ricardo.H.R第一个提出了发动机爆震是由末端气体自燃引起的学说[9]。L.Withrow和G.M.Rass 于1936并发现了末端混合气自燃后的压力急剧升高及震荡的现象[10]。在1937年前后，Lewis等人的研究同最后导致末端混合气的急剧燃烧爆震[11]。W.SAffeleck和A.Fish于1968年通过观察在快速压缩机上的实验压力曲线以及火焰过程学者们提出了一些用于模拟自燃过程的模型，如基于乌斯函数（Arrheniusfunction）的经验模型，用于确定火焰前锋面在消耗完末端混合气之前爆震是否会发生[15]。此外，现在已经有越来越多不同的模型专门用于描述对应的氧化反应及自燃的原理。非计算机辅助计算的机理模型的发展如图1-1所示，早期具有代表性的是S 的起始(initiation)，反应链的传递(chainpropagation)，支链分支(degeneratebranching)和反应终止(terminationsteps)[16]在此基础上引入了Globalizedspecies来描述反应发展了CoxandCole模型[17]，HuandKeck模型和Griffiths模型[18]。Hu和Keck于1987年支链动力学模型(HuandKeck)可用于预测球形定的极限和快速压缩机上的着火延迟[19]。Tanaka模型考虑了壁面传热和层流边界的位移影响[20]。Curran和Gaffuri等人在低温和高温条件下利用反射激波后的实验结果提出了关于正戊烷及异辛烷计算机理模型(Livermoregroup)[21]。过过氧自由CoxandCole模1-1Fig.1-1Knockingmechanism RanziFaravelli1995年提出用于模拟Fournet2005Thergas[23]。应情况，使用基于KIVA软件中的G-equation模型，利用ERCPRF简化模型(47产物，132反应)模本文主要Converge软件，耦合了化学反应动力学机理和G方程，并建立了相应的传热模型、湍流模型、点火模型等，最终构成了长方体定容内的爆震燃烧三维CFD模型，并对初始混合气温度，初始爆震燃烧数值仿真模型建的计算流体力学软件Converge可自动生成正交性网格以及可调用自适应网格加密网格技术对关键处数值仿真考虑到燃烧过程主要受火焰速度和低温反应的影响，本文采用G方程模型和化学反应动力软件中的RNGk-ε湍流模型[25]。同时爆震燃烧时壁面传热受到气体压响，末端壁面的传热对于末端混合气的自燃影响很大，本文采用Han和Reitz的壁面传热模型[26]。内部设置充满当量1的均匀的正庚烷/空气混合气。为了确认以上计算模型的准确性，本文首先使用Tinaut试验数据进行模型的压力验证，Tinaut50 2-1Fig.2-1Pressureinexperimentand50mm×50mm×250的实验，通过高速摄影的可以观察到在定容燃烧器的末端火焰尚未到的地方局部出现了自50mm×50mm×250mm2-3，可以看出末端压2-2Fig.2-2Theflamepatternattheendofthechamberinthe2-3使用ConvergeFig.2-3TheendpressurecurvesimulatedbyConverge数值仿真计算模型的建定容如图2-4，A点距离末端壁面5mm，为末端混合气压力温度的数据采样位置。采样440440B440B图2-4长方体示意Fig.2-4Schematicofrectangularcombustion本文了2020m100m的卧式长方容何型采用网始2m22m05，点火定到0.15，网格设参了ag28等的模。算过中格图25，从火花点火开始始终保持着正方形网格，根据温度梯度和速度梯度进行加密，每次加密时边长变为一火锋面程中终加到小长为05m的正方形以整火焰发展程高计精度。K图2-5长方体长轴中间切面网格示意Fig.2-5GridschematicalongthemiddlesectionofthelongKEGR的掺混，最终在关闭进气门的瞬间，混合气的最高700K300K~700K之间。火花点火产生的火焰锋面在长方体定容长轴方向向前类似于活塞压缩过程，根据热0.2MPa~0.5MPa之间。[64]。壁面温度的设置参考了实际汽油机的燃烧室、活塞顶的壁面温度值，除末端壁面外，其他440K2-4。排气门在冷启动时的温度大约300K700K300K~700K之间。爆震燃烧特性分0.02MPa即为爆震。初始压力04MPa初始压力04MPa初始气温500K末端壁温700K末端压压力振初始压力04MPa初始气温700K末端壁温700K 压力压力 3-1Fig.3-1Pressurecurveof

- 3-2Fig.3-2Pressurecurveofnon-3-10.4MPa、初始气700K700K7ms左右发生爆震，末端压力突升，随后出现明显的压力振3-20.4MPa500K700K工况下没有发生爆震的情况。初始压力对爆震燃烧特性的影600K700K0.3MPa、0.4MPa0.5MPa3-1Table3-1Initialpressureandinitialtemperature700K3-3600K550K初始气温初始气温700末端混合气压力43210 时间

末端混合气温度末端混合气温度0

初始气温700初始气温700 时间a）初始气温700K条件下末端压力 b）初始气温700K条件下末端气温图3-3初始气温700K工况初始压力对爆震压力波及末端气温的影响Fig.3-3Effectofinitialpressureonknockingininitialtemperature700初始气温初始气温60043210

末端混合气温度末端混合气温度0

600 a）初始气温600K条件下末端压力 b）初始气温600K条件下末端气温图3-4初始气温600K工况初始压力对爆震燃烧影响Fig.3-4Effectofinitialpressureonknockingininitialtemperature600初始气温550初始气温55043210

末端混合气温度末端混合气温度0

初始气温550初始气温550 a）初始气温550K条件下末端压力 b）初始气温550K条件下末端气温图3-5初始气温550K工况初始压力对爆震燃烧影响Fig.3-5Effectofinitialpressureonknockingininitialtemperature550Fig.3-6Temperaturedistributionsoftherectangularcombustion550K时初始压力提高时最大压力振幅反而程下降趋势，因此，将爆震燃末端末端壁温700最大压力最大压力振幅10 初始压力Fig.3-7Effectofinitialpressureonknocking初始气温对爆震燃烧特性影550K、600K700K3-2所示。Table3-2Initialtemperatureandinitialpressurea3-83-93-100.3初始压初始压0.5末端混合气压力43210 时间

末端混合气温度末端混合气温度0

0.5 a）0.5MPab）0.5MPa条件下末端气温3-80.5MPa工况初始压力对爆震压力波及末端气温的影响Fig.3-8Effectofinitialpressureonknockingininitialpressure0.5MPa0.40.443210

末端混合气温度末端混合气温度0

0.4 a）0.4MPab）0.4MPa条件下末端气温3-90.4MPa工况初始压力对爆震压力波及末端气温的影响Fig.3-9Effectofinitialpressureonknockingininitialpressure0.4MPa0.30.343210

0

0.3 a）0.3MPab）0.3MPa条件下末端气温3-100.3MPa工况初始压力对爆震压力波及末端气温的影响Fig.3-10Effectofinitialpressureonknockingininitialpressure0.3MPaFig.3-11Temperaturedistributionsoftherectangularcombustion末端壁温对爆震燃烧特性影0.4MPa，分别在550K、600K700K500K、600K、700K1000K从仿真模拟结果得出随末端壁温的提高，末端压力和末端气温的上升变化不大，压力、温度曲312初始初始压力04最大压力最大压力振幅1000 末端壁温3-12末端壁温对爆震强度影响Fig.3-12Effectofendtemperatureonknockingintensity初始末端初始5006007001000Fig.3-13Temperaturedistributionsintherectangularcombustion成果与结本文使用Converge软件建立了爆震燃烧的数值仿真模型，该模型能够与具体实验结果有较好的一致性，并使用其进行了长方体内爆震燃烧的模拟，仿真了压力振荡的现象，： 单位：交通大学邮箱参考文EngJA.CharacterizationofpressurewavesinHCCIcombustion[R].SAETechnicalPaper,高青,,孙志军,等.点燃式发动机爆震测量及其强度分析[J].燃烧科学与技术,2003,9(4):335-338.CornettiGM,ArrigoniV,SezziF,etal.MeasurementoftheExtentofAbnormalCombustionbyMeansofanExternalDevice[R].SAETechnicalPaper,1973.，，，.基于化学反应动力学耦合Ｇ方程的定爆震燃烧研究[J].车用发动机,2016,2:17-22.高永兴.双VVT高增压高压缩比直喷汽油机的抗爆震性能研究[D].交通大学,DDLeChaierH.RecherchesExperimentalesetTheoriquessurlaCombustionDesMelangesGazeuxExplosifs[M].Paris:Dunod,1883.RicardoHR.TheHigh- bustionEngine[M].London:BlackieWithrowL,RassGM.Slowmotionshowsknockingandnon-knockingSAETechnicalPaper,ElbeG.HydrocarbonReactionsandKnockintheinternalcombustionengine[J].Industrial&EngineeringChemistry,1937,29(5):551-554.AffleckWS,FishA.Knock:flameaccelerationorspontaneousignition?[J].CombustionandFlame,1968,12(3):243-252.ElbeG.HydrocarbonReactionsandKnockintheinternalcombustionengine[J].Industrial&EngineeringChemistry,1937,29(5):551-554.LewisB,VonElbeG.Combustion,flamesandexplosionsofgases[M].Elsevier,SchäpertönsH,LeeW.MultidimensionalmodellingofknockingcombustioninSIengines[R].SAETechnicalPaper,1985.HalsteadMP,KirschLJ,QuinnCP.Theautoignitionofhydrocarbonfuelsathightemperaturesandpressures—fittingofamathematicalmodel[J].Combustionandflame,1977,30:45-60.CombustionandFlame,1985,60(2):109-123.GriffithsJF.Reducedkineticmodelsandtheirapplicationtopracticalcombustionsystems[J].ProgressinEnergyandCombustionScience,1995,21(1):25-107.HuH,KeckJ.Autoignitionofadiabaticallycompressedcombustiblegasmixtures[R].SAEtechnicalpaper,1987.TanakaS,AyalaF,KeckJC.AreducedchemicalkineticmodelforHCCIcombustionofprimaryreferencefuelsinarapidcompressionmachine[J].Combustionandflame,2003,133(4):467-481.CurranHJ,GaffuriP,PitzWJ,etal.Acomprehensivemodelingstudyofiso-octaneoxidation[J].Combustionandflame,2002,129(3):253-280.RanziE,GaffuriP,FaravelliT,etal.Awide-rangemodelingstudyofn-heptaneoxidation[J].CombustionandFlame,1995,103(1):91-106.ZieglerI,FournetR,MarquairePM,etal.DetailedkineticmodelingofPolycyclicAromaticHydrocarbonsformationinpropanepyrolysisathightemperature/lowpressure[C]//ProceedingsoftheEuropeanCombustionMeeting.2005.WangZ,WangY,ReitzRD.Pressureoscillationandche