高压液氨喷雾燃烧的数值模拟和试验验证.pdf

第 45 卷（2023）第 3 期Vol.45（2023）No.3柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.03.001高压液氨喷雾燃烧的数值模拟和试验验证王宁1，李铁1，2，周昕毅1，2，陈润1，2，李世琰1，2，依平1，2（1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学动力装置及自动化研究所，上海 200240）摘要：以液氨喷雾混合气形成和燃烧过程为对象进行数值模拟和试验验证。根据试验获得的气液相贯穿距数据对三维模型进行参数标定。结果表明：建立的喷雾模型可以在高温高压环境条件下准确预测液氨喷雾的贯穿发展过程；在喷雾混合气形成过程中液氨气化吸热导致喷雾中心区域降温效果明显，降温高达100 K；氨较高的汽化潜热使之较难蒸发，喷雾边缘处氨的质量分数多在0.1上下。利用特征时间燃烧模型对液氨喷雾燃烧过程进行初步计算，可以较好地模拟整个燃烧过程。关键词：氨；高压直喷；喷雾燃烧；数值模拟中图分类号：TK421.2文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）03-0001-06Numerical Simulation and Experimental Verificationof Spray Combustion of High-Pressure Liquid AmmoniaWANG Ning1，LI Tie1，2，ZHOU Xinyi1，2，CHEN Run1，2，LI Shiyan1，2，YI Ping1，2（1.State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Institute of Power Plants and Automation，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）Abstract：Numerical simulation and experimental verification of the mixture formation and combustion process of liquid ammonia spray were carried out.According to the gas and liquid penetration data obtained in the experiment，the parameters of the three-dimensional model were calibrated.The results show that：The spray model can accurately predict the penetration and development process of liquid ammonia spray under high temperature and high pressure conditions；During the formation of the spray mixture，the vaporization of liquid ammonia absorbs heat，resulting in a significant cooling effect in the center of the spray as high as 100 K；Due to the poor evaporation caused by the high latent heat of vaporization of ammonia，the mass fraction of ammonia at the spray edge is mostly around 0.1.The combustion process of ammonia spray is preliminarily calculated by the characteristic time combustion model，which can simulate the whole combustion process well.Key words：ammonia；high-pressure direct injection；spray combustion；numerical simulation2022年内燃动力碳中和与排放控制学术年会绿色船舶动力系统分会场专栏收稿日期：2022-10-31基金项目：国家自然科学基金（52020105009、51776125）第 45 卷第 3 期 2 柴 油 机0引言当前，降低温室气体排放，加速向低碳经济社会转型是当务之急，引进替代燃料成为交通运输业的绿色环保解决方案之一。在众多的替代燃料中，氨燃烧后不产生二氧化碳，且易于储存和运输，已成为最具前景的替代燃料之一。此外，我国的制氨技术已经非常成熟，产量占世界氨总产量的25%以上。利用煤或者可再生能源（如风能、太阳能等）制取氨使之作为燃料替代石油制品切实可行，并且符合我国国情1。近年来，氨在内燃机和燃气轮机等动力机械中越来越受到关注。LHUILLIER 等 2、FRIGO等3-4、MORCH等5分别研究以氢气为助燃剂的氨燃料火花点火发动机的燃烧和排放特性。他们得出的普遍结论是：与汽油发动机相比，氨燃料发动机具有更低的热效率、更多的未燃氨排放、更高的氮氧化物排放、更低的燃烧效率和更小的输出功率。有研究6-10采用柴油引燃氨和空气的预混气，在燃烧后产生的废气中也发现较多的未燃氨。由于化学反应性低、火焰传播速度慢、可燃性范围窄等特点，在燃烧室的缝隙区和边界区存在氨的藏匿，在预混燃烧模式下难以充分燃尽。因此，提高燃烧效率、减少未燃氨逃逸是一个必要的研究课题。为了发动机的高效、清洁运行，有必要研究和开发合适的氨燃烧方式。通过缸内高压直喷的方式来实现液氨的扩散燃烧在提高燃烧效率、减少氨逃逸方面具有较大的潜力，同时可以弥补氨能量密度低的缺点，提高发动机功率。FRANKL等11对单缸发动机的高压直喷双燃料（high pressure dual fuel，HPDF）模式进行数值研究，将氨作为主燃料直接喷射入发动机气缸，同时直喷柴油作为引燃燃料。他们发现在HPDF模式下氨可以高效稳定地燃烧。通过数值仿真对氨在 HPDF 模式下和预混合低压双燃料（low pressure dual fuel，LPDF）模式下的燃烧状况进行比较12，结果表明：在 HPDF模式下的燃烧在NOx排放、温室气体排放、氨逃逸和燃烧效率等方面均优于LPDF模式。上述发动机整机的模拟工作表明氨燃料发动机在HPDF模式下具有巨大的潜力，但目前关于高压氨燃料喷雾混合气形成和燃烧过程的基础研究比较缺乏，而这对高压氨燃料喷雾燃烧机理的理解至关重要。OKAFOR等13-14研究在旋流燃烧器和微型燃气轮机中液氨喷雾的燃烧特性，发现随着氨质量分数和旋流器入口速度的增加，火焰稳定性下降。由于瞬态蒸发量和氨的蒸发潜热较大，周围环境气体温度骤降约50，大幅度降低氨燃烧的稳定性。该研究提出通过预热旋流空气来提高火焰稳定性。PELE 等15研究汽油直喷（gasoline direct injection，GDI）发动机条件下的液氨喷雾特性，并将结果与乙醇和汽油喷雾进行比较，结果表明：氨喷雾的宏观几何形状与其他燃料不同，氨喷雾对周围环境密度和温度的敏感性高于乙醇和汽油喷雾，这可能是由于氨喷雾在较低的环境压力下沸点较低而产生闪沸所致。如上所述，目前发表的文献集中研究在较低的环境压力和温度以及相对较低的喷射压力下氨燃料喷雾的特性。本课题组16利用自主设计开发的高压液氨直喷系统进行试验，探究在柴油机条件下氨燃料喷雾燃烧的特性。在室温和高温惰性条件下，捕捉氨喷雾的宏观特性。另外，在 900 K和 1 000 K环境温度以及氧体积分数为21%的环境条件下建立高压氨燃料喷雾火焰，试验数据（如气液相贯穿距等）为高压液氨喷雾模型的标定提供有力支撑，以期通过仿真模拟的方式更好地理解氨燃料喷雾混合气形成和燃烧的过程。本研究旨在开发适用于液氨喷雾的仿真模型，分析高压氨喷雾混合气形成和燃烧的特性。1试验与仿真方法1.1试验装置与方法试验在预燃式定容弹中进行。在定容弹中建立类似于柴油机上止点（top dead center，TDC）的高温高压条件，营造出的高温惰性环境以及有氧环境可分别用于液氨喷雾蒸发和燃烧的研究。通过高速相机记录下液氨喷雾形态，并通过后处理提取相关特性参数。喷油器安装在定容弹顶部，喷孔大小为0.22 mm。液氨通过自主设计开发的高压喷射系统加压后经喷油器射入定容弹内。图 1（a）为试验所用的纹影法光路。如图 1（a）所示，LED光源经小孔射入后作为点光源，光经过凹面镜后穿过容弹中喷雾，将气相和液相喷雾形态传递至高速相机（NAC Memrecam HX-6）。另外，同样采用上述Z型光路捕捉喷雾火焰形态，同时在相机前添加中性滤片以避免过度曝光。图1（b）为试验所用的背景光散射法光路。如图1（b）所示，LED光源发出的光束经散射膜产生漫散射2023 年 5 月 3 王宁等：高压液氨喷雾燃烧的数值模拟和试验验证背景，利用高速摄像机（Phantom v2012）捕捉喷雾液相的图像。在上述2种测试方法中测试用的高速相机的曝光时间为1 s，分辨率为512 512，拍摄速度为50 000 帧/s。1.2仿真模型与方法在CONVERGE软件中对喷雾蒸发和燃烧过程进行数值模拟。采用大涡模拟（large eddy simulation，LES）方法17求解湍流，液滴破碎采用KH-RT模型18，液滴蒸发采用Frossling模型19，液滴碰撞采用 NTC 模型20。另外，采用 Shell 着火模型21和特征时间燃烧（characteristic time combustion，CTC）22模型对喷雾燃烧过程进行初步计算。在 仿 真 时 将 计 算 域 简 化 为 48 mm48 mm97 mm 的长方体，如图2所示。整个计算区域的基础网格设置为 1 mm，最小网格尺寸为 0.125 mm。在喷雾发展的区域采用固定网格细分，根据速度梯度和温度梯度采用3级自适应网格细分，最大网格数量为11 704 658。在本研究中，喷雾蒸发和燃烧过程模拟到开始喷射后 2.0 ms。关于数值模型的相关构造和验证的更多细节可以在文献23中找到。仿真与试验条件如表 1 所示。在喷射压力为60 MPa、初始液氨温度为350 K条件下，探究不同环境温度（800 K、900 K、1 000 K）和环境密度（15 kg/m3、18 kg/m3、21 kg/m3）对液氨喷雾蒸发特性的影响。此外，在环境密度为18 kg/m3、环境温度为900 K、环境氧体积分数为21%条件下初步模拟液氨喷雾燃烧的过程。2结果与讨论2.1模型标定与网格尺寸敏感性验证根据气液相贯穿距的试验数据，对上述模型所涉及的参数进行标定，并进行网格尺寸敏感性研究，以确定在喷射压力为60 MPa、环境温度为900 K、环境密度为18 kg/m3、环境氧体积分数为0条件下的最佳网格尺寸。不同网格尺寸模拟结果对比图如图3所示，使用优化后的模型参数得到的模拟结果与试验结果相符。从图3可以看出，当最小网格尺寸小于0.125 mm时，模拟结果几乎与网格尺寸无关。因此，为了在可接受的成本下提高计算精度，以下的计算均采用0.125 mm网格尺寸。2.2喷油速率修正在喷雾模拟时须输入喷油速率的数据，本研究中的喷油速率通过Boach长管法24测得。另外利用课题组开发的喷油速率修正模型23对原始喷油速率进行修正，考虑Bosch长管法与实际喷射时喷嘴内的流动差异，原始和修正后的喷油速率（fuel injection rate，FIR）曲线如图4所示。图5为喷油速率修正前后模拟结果对比，修正后的喷油速率可以更准确地模拟喷雾发展初期的瞬态特性。图1试验所用光路布置图表1试验与仿真条件项目喷射压力/MPa初始液氨温度/K环境温度/K环境密度/（kgm-3）环境氧体积分数/%参数60350800/900/1 00015/18/210/21图3不同网格尺寸模拟结果对比图图2计算区域第 45 卷第 3 期 4 柴 油 机2.3喷雾贯穿距的预测图6为在不同环境温度和密度条件下喷雾气相和液相贯穿距的试验值和模拟值对比。在0.5 ms之前，氨喷雾液相贯穿距与气相贯穿距几乎重合，然后喷雾液相在距喷嘴一定距离处趋于稳定，而气相则不断向更远的距离贯穿。蒸发喷雾的最大贯穿距与特定环境下的液滴寿命有关。随着环境密度和环境温度的增加，液氨喷雾更多地与卷吸的空气进行换热，最大液相贯穿距缩短。从图6可以看出，试验值和模拟值接近，建立的模型可以模拟出液氨蒸发的过程，较好地预测液氨喷雾气液相的发展。2.4喷雾质量分数和温度分布图7为不同环境温度下的氨喷雾质量分数分布图，虚线为在试验中拍摄的氨喷雾气相轮廓线，实线为喷雾液相轮廓线。试验得到的喷雾轮廓与模拟得到的燃料质量分数结果共同发展，表明该模型较好地预测了喷雾的发展。由喷雾中心向四周，氨逐渐变稀，这是由于边缘喷雾蒸发后快速与空气混合所致。氨较高的汽化潜热造成较难蒸发的现象，在喷雾边缘处氨的质量分数多在0.1附近。值得注意的是，当质量分数为0.10.2时对应的当量比约为0.61.4，属于可燃环境温度范围，对燃料分布的影响不明显。图8为不同环境温度下的喷雾温度分布图。初始温度为350 K的液氨喷入定容弹内，由于环境温度较高，此时定容弹内的氨气分压低于该温度下的饱和蒸气压，液相氨不断与高温环境进行热交换，喷雾边缘处的燃料与空气接触面积大、接触时间长，因而温度较高。从图8可以看出，由于液氨气化时的吸热导致喷雾中心温度低于初始温度（350 K）。在所研究的环境温度和环境密度条件下，喷雾中心温度均低至250 K左右，这是由于氨的汽化潜热较大导致的，这种明显的降温现象不利于氨的燃烧。图6在不同条件下喷雾贯穿距发展图图4喷油速率曲线图图5喷油速率修正前后模拟结果对比图2023 年 5 月 5 王宁等：高压液氨喷雾燃烧的数值模拟和试验验证图 9和图 10分别为不同环境密度下的氨喷雾质量分数和温度分布。在更高的环境密度下，由于空气卷吸作用的增强，氨喷雾和空气混合作用更加明显，氨喷雾与空气更多地发生动量交换，在同一时刻下气相贯穿距缩短。另外，燃料与空气间换热效果的增强提高液滴蒸发速率，使最大液相贯穿距缩短。高温时的空气密度较大，即空气质量较大，而氨燃料的质量并未明显增大。同样，虽然在高环境密度下氨喷雾从环境中吸热更多，但由于空气的总热量较高，喷雾区域也并未观察到相比于在低密度环境下更明显的降温现象。2.5燃烧喷雾仿真图 11 为在环境温度为 900 K、环境密度为18 kg/m3以及环境氧体积分数为 21%条件下拍摄到的喷雾火焰图像与初步模拟的温度场分布。采 用 特 征 时 间 燃 烧（characteristic time combustion，CTC）模型对氨燃烧过程进行初步模拟。从图 11 可以看出，用温度云图表征的液氨喷雾火焰形态同试验结果较好地吻合。火焰从喷雾图9不同环境密度下的氨喷雾质量分数分布图（Ta=900 K）图7不同环境温度下的氨喷雾质量分数分布图（a=18 kg/m3）图8不同环境温度下的喷雾温度分布图（a=18 kg/m3）图10不同环境密度下的氨喷雾温度分布图（Ta=900 K）第 45 卷第 3 期 6 柴 油 机边缘开始发展，逐渐稳定在一定的浮起长度上。喷雾中心温度低至 400 K 左右，边缘火焰温度高至 2 500 K 左右。在接下来的研究中，将基于现有试验数据进一步修正氨燃烧机理，加入化学反应的计算，从而进一步分析 NOx和未燃烧氨等污染物的生成特性。3结论（1）经标定的喷雾模型可以在高温高压条件下准确预测液氨喷雾的贯穿发展过程。（2）在喷雾混合气形成过程中，液氨气化吸热导致降温效果明显，喷雾中心区域降温高达100 K。（3）由于氨较高的汽化潜热造成较难蒸发的现象，在喷雾边缘处氨的质量分数多在0.1左右。（4）利用特征时间燃烧模型对氨喷雾燃烧过程进行初步计算，可以较好地模拟喷雾火焰形态的发展。参考文献1 王月姑，吴崇君，郑淞生，等.氨燃料缓解能源安全及替代天然气的可行性分析 J.可再生能源，2019，37（7）：949-954.2 LHUILLIER C，BREQUIGNY P，CONTINO F，et al.Experimental study on ammonia/hydrogen/air combustion in spark ignition engine conditionsJ.Fuel，2020，269：117448.DOI：10.1016/j.fuel.2020.117448.3 FRIGO S，GENTILI R.Analysis of the behaviour of a 4-stroke Si engine fuelled with ammonia and hydrogen J.International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（3）：1607-1615.4 FRIGO S，GENTILI R，DOVERI N.Ammonia plus hydrogenas fuel in a S.I.engine：experimental results C/SAE Technical Paper，2012：2012-32-0019.DOI：10.4271/2012-32-0019.5 MORCH CS，BJERRE A，GOTTRUP MP，et al.Ammonia/hydrogen mixtures in an Si-engine：engine performance and analysis of a proposed fuel systemJ.Fuel，2011，90（2）：854864.6 NIKI Y.Experimental investigation of effects of split diesel-pilot injection on emissions from ammonia-diesel dual fuel engineC.Online：2021 ASME Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference（ICEF 2021），2021.7 NIKI Y，NITTA Y，SEKIGUCHI H，et al.Diesel fuel multiple injection effects on emission characteristics of diesel engine mixed ammonia gas into intake airJ.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2019，141（6）：061020.DOI：10.1115/1.4042507.8 REITER A J，KONG S.Combustion and emissions characteristics of compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel J.Fuel，2011，90（1）：87-97.9 YOUSEFI A，GUO H，DEV S，et al.Effects of ammonia energy fraction and diesel injection timing on combustion and emissions of an ammonia/diesel dual-fuel engine J.Fuel，2022，314：122723.DOI：10.1016/j.fuel.2021.122723.10YOUSEFI A，GUO H，DEV S，et al.A study on split diesel injection on thermal efficiency and emissions of an ammonia/diesel dual-fuel engineJ.Fuel，2022，316：123412.DOI：10.1016/j.fuel.2022.123412.11FRANKL S，GLEIS S，KARMANN S，et al.Inves-tigation of ammonia and hydrogen as CO2-free fuels for heavy duty engines using a high pressure dual fuel combustion processJ.International Journal of Engine Research，2021，22（10）：3196-3208.12LI T，ZHOU X，WANG N，et al.A comparison between low-and high-pressure injection dual-fuel modes of diesel-pilot-ignition ammonia combustion enginesJ.Journal of the Energy Institute，2022，102：362-373.13OKAFOR EC，YAMASHITA H，HAYAKAWA A，et al.Flame stability and emissions characteristics of liquid ammonia spray co-fired with methane in a single stage swirl combustorJ.Fuel，2021，287：119433.DOI：10.1016/j.fuel.2020.119433.图11燃烧喷雾图像（O2）=21%，Ta=900 K，a=18 kg/m3）（下转第25页）2023 年 5 月 25 韩旭等：船用甲醇发动机润滑油技术难点2 甘少炜，雷伟，周国强.甲醇：未来船用燃料 J.中国船检，2016（8）：90-94.3 王辉，辛强之，姚安仁，等.船用柴油机应用柴油甲醇二元燃料的性能特性研究J.柴油机，2019，41（1）：1-6，35.4 姚春德，王辉，姚安仁，等.DMCC技术在高速船用柴油机上的应用研究J.哈尔滨工程大学学报，2021，42（1）：1-7.5 姚春德.柴油甲醇二元燃料燃烧理论与实践 M.天津：天津大学出版社，2015.6 WANG B，YAN A R，YAO C D，et al.Experimental investigation on methanol auto-ignition in a compression ignition engine under DMDF mode J.Fuel，2019，237（1）：133-141.7 姚春德，危红媛，王全刚，等.柴油甲醇二元燃料发动机的非常规排放特性研究J.环境科学学报，2016，36（6）：2201-2209.8 张杰，高辉.海洋环保法规的发展及其对船用燃料及润滑油的影响 J.润滑油，2009，24（1）：16-21.9 朱琼花，袁爽，沈源，等.甲醇发动机润滑油特性研究 J.润滑与密封，2014，39（2）：111-114.10瞿磊，王忠，居钰生，等.合成润滑油用于甲醇燃料发动机的试验研究J.石油学报（石油加工），2016，32（6）：1150-1155.11陈海兰，卢瑞军，张志东，等.商用甲醇发动机润滑油试验特性研究 J.小型内燃机与车辆技术，2019，48（6）：10-14.12尹兴林，王稳，贾文.甲醇汽油发动机油抗乳化性试验研究 J.润滑与密封，2011，36（7）：91-94.13戴朝典.柴油机机油的新进展J.国外内燃机，2012，44（3）：35.14龙岩.机油诱发早燃和超级爆震的燃烧基础研究D.北京：清华大学，2016.15廖湘芸，赵正华，姚春德.柴油甲醇双燃料发动机油技术难点分析J.润滑油与燃料，2014（2）：12-15.16梁红.柴油机油 M.北京：中国标准出版社，2006.17杨道胜，史宗冈，范亦工.美国重负荷柴油机油新规格 CJ-4 的发展及其影响J.石油商技，2006，24（6）：42-46.18宋增红，阎育才，乔旦，等.润滑油添加剂研究进展J.润滑油，2019，34（5）：16-22.14OKAFOR EC，KURATA O，YAMASHITA H，et al.Liquid ammonia spray combustion in two-stage micro gas turbine combustors at 0.25 MPa；relevance of combustion enhancement to flame stability and NOx controlJ.Applications in Energy and Combustion Science，2021，7：100038.DOI：10.1016/j.jaecs.2021.100038.15PELE R，MOUNAM-ROUSSELLE C，BRQUIGNY P，et al.First study on ammonia spray characteristics with a current GDI engine injector J.Fuels，2021（2）：253-271.DOI：10.3390/fuels2030015.16LI S，LI T，WANG N，et al.An investigation on near-field and far-field characteristics of superheated ammonia sprayJ.Fuel，2022，324（Part B）：124683.DOI：10.1016/j.fuel.2022.124683.17JANGI M，SOLSJO R，JOHANSSON B，et al.On large eddy simulation of diesel spray for internal combustion engines J.International Journal of Heat and Fluid Flow，2015，53：68-80.18REITZ R D，BRACCO F V.Mechanisms of breakup of round liquid jetsJ.Encyclopedia of Fluid Mechanics，1986，3：233-249.19AMSDEN A A，O ROURKE P J，BUTLER T D.KIVA-：a computer program for chemically reactive flows with spraysR/NASA STI/Recon Technical Report N.Houston：NASA，1989.20SCHMIDT D P，RUTLAND C.A new droplet collision algorithmJ.Journal of Computational Physics，2000，164（1）：62-80.21HALSTEAD M P，KIRSH L J，QUINN C P.The autoignition of hydrocarbon fuels at high temperatures and pressures-fitting of a mathematical model J.Combustion and Flame，1977，30：45-60.22ABRAHAM J，BRACCO F V，REITZ R D.Comparisons of computed and measured premixed charge engine combustion J.Combustion and Flame，1985，60（3）：309-322.23ZHOU X，LI T，YI P，et al.On the fuel injection rate profile as boundary conditions for diesel spray combustion simulations J.Fuel，2020，276：118026.DOI：10.1016/j.fuel.2020.118026.24BOSCH W.The fuel rate indicator：a new measuring instrument for display of the characteristics of individual injectionC/SAE Technical Paper，1966：660749.DOI：10.4271/660749.（上接第6页）