柴油机喷雾火焰撞壁瞬时传热特性仿真研究.pdf

第 44卷 第 4期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering柴油机喷雾火焰撞壁瞬时传热特性仿真研究汤鑫1，2，李铁1，2，周昕毅1，2，曹佳乐1，2，薛雪峰1，2，陈润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）Simulation Research on Transient Heat Transfer Characteristics of Spray Flame Impinging on the Wall in A Diesel EngineTANG Xin1，2，LI Tie1，2，ZHOU Xinyi1，2，CAO Jiale1，2，XUE Xuefeng1，2，CHEN Run1，2（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：The CONVERGE software was implemented to establish an impinging spray flame transient heat transfer model based on conjugate heat transfer technology.The simulation model of transient heat transfer was calibrated with experimental data.This model was employed to investigate the effects of the distance to the wall，the injection pressure and the ambient oxygen volume fraction on the transient heat transfer characteristics of the impinging flame.The simulation results show that the change of the impingement distance has little effect on the wall heat transfer.The increase of the injection pressure and the increase of the ambient oxygen volume fraction will increase the transient wall heat transfer loss of the impinging spray flame.摘要：使用 CONVERGE 发动机仿真软件，基于流固耦合建立了撞壁喷雾火焰瞬时传热仿真模型，并利用试验数据对仿真模型进行了标定。利用该模型探究了撞壁距离、喷射压力及环境氧体积分数对喷雾火焰撞壁瞬时传热特性的影响。仿真计算结果表明：撞壁距离的变化对壁面传热的影响不大，喷射压力升高及环境氧体积分数的增加都会使喷雾火焰撞壁瞬时壁面传热损失升高。关键词：柴油机；喷雾火焰撞壁；瞬时传热特性Key words：diesel engine；spray flame impingement；transient heat transfer characteristicDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.04.002中图分类号：TK421+.20概述柴油机喷雾火焰撞壁过程的传热损失约占燃料燃烧释放总能量的 14%19%12，理解柴油机喷雾火焰撞壁过程的传热机制有助于降低缸内传热损失，提高柴油机热效率进而提高燃油经济性。另外，作为柴油机缸内传热的主要来源，喷雾火焰撞壁导致的撞壁区域传热损失的急剧增加不仅会严重影响发动机经济性，还会导致零部件局部温度过高，热负荷增加，出现诸如缸盖烧蚀、活塞顶开裂等现象，影响柴油机可靠性。研究喷雾火焰撞壁的传热特性可为提高柴油机经济性与可靠性及优化柴油机设计等方面提供重要参考。研究人员早在二十世纪八九十年代就发现喷雾文章编号：1000-0925（2023）04-0009-07440042收稿日期：2022-11-15修回日期：2023-01-03基金项目：国家自然科学基金重点国际合作项目（52020105009）；国家自然科学基金面上项目（52271325，52171314）Foundation Item：Key International Cooperation Program of National Natural Science Foundation of China（52020105009）；General Program of National Natural Science Foundation of China（52271325，52171314）作者简介：汤鑫（1998），男，硕士生，主要研究方向为柴油机喷雾火焰撞壁瞬时传热特性，E-mail：Tang_；李铁（通信作者），E-mail：。2023年第 4期内燃机工程火焰撞壁是导致缸内传热过程剧烈变化的重要因素34，但在当时并未引起足够的重视。2016 年日本同志社大学对柴油机喷雾火焰撞壁传热机制进行了初步的探索。通常基于对流传热原理计算柴油机壁热损失，壁表面附近的温度场和流场由于喷雾火焰碰撞而发生显著变化，加剧热量传递到壁表面。根据牛顿冷却定律，对流换热引起的热损失量由传热速率、火焰温度、壁表面温度、火焰接触面积和接触时间等物理因素决定。文献 510 中提出喷雾燃烧中的各个物理因素之间存在折中关系，难以降低传热损失。为了减少传热损失，有必要详细了解每种物理因素与控制参数（喷射条件、喷嘴规格等）之间的相关性。文献 1112 中探究了撞壁距离和喷射压力对喷雾火焰撞壁传热的影响。结果表明撞壁距离、喷射压力的增加会造成传热系数及局部热流密度的增加。此外，研究努塞尔数与雷诺数之间的关系是描述柴油燃烧过程中传热现象的有效方法。文献 1316 中针对喷射压力、喷孔直径对喷雾撞壁传热的影响进行了研究，结果表明强对流显著影响产生的热通量值。综上所述，目前关于柴油机喷雾火焰撞壁传热特性相关的试验研究已经起步，然而相关的数值仿真研究不多。在此背景下，采用三维计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）仿 真 软 件CONVERGE 结合流固耦合方法对柴油喷雾火焰撞壁传热进行三维数值仿真。仿真计算能够降低人力、物力的消耗，大大降低研究成本；另外仿真研究可以用于试验难以实现的参数测试，也可以预测性地将更多的参数变化对壁面传热的影响进行分析汇总，得出归纳性的结论。本研究在明晰撞壁喷雾火焰的传热机制，优化柴油机燃烧室结构，减少燃烧室零部件的热负荷，降低燃烧室壁面传热损失并提高柴油机热效率等方面具有重要意义。1试验装置与工况基于定容燃烧可视化装置（简称定容弹）记录喷雾火焰撞壁过程，用以标定仿真模型。定容弹为正六面体结构，可在其中 5 个面安装蓝宝石玻璃作为可视化窗口，以便进行喷雾火焰的拍摄，试验装置的具体介绍见文献 17。采用长管法测试了喷油速率，对喷油速率的详细处理方法见文献 18。试验采用背景光散射法和高速纹影法拍摄并分析喷雾火焰的形态和发展情况，用背景光散射法分析喷雾液相的贯穿距，用纹影法分析喷雾气相的贯穿距、喷雾火焰形态及喷雾火焰撞壁后的发展情况，上述两种光学测试方法的介绍见文献 19。利用扩散半径和回弹高度两个参数对喷雾火焰撞壁后的发展进行量化评价，图 1 为喷雾火焰扩散半径 R、回弹高度 H及撞壁距离 h 的说明图。扩散半径 R 定义为扩散区域内喷雾轴线到喷雾火焰水平方向最远位置的距离；回弹高度 H 定义为回弹区域内壁面到喷雾火焰竖直方向最远位置的距离；撞壁距离 h 即沿喷孔轴线方向由喷孔到壁面的距离。表 1 列出了标定试验的试验工况。2仿真模型与工况仿真计算采用的子模型如表 2 所示。图 2 是建立的仿真三维模型，分为流体域和固体域两个区域，其半径为 40.0 mm，流体域厚度为 37.5 mm，固体域厚度为 5.0 mm。流体域固体域之间通过流固交界面实现流固耦合传热计算。使用 CONVERGE 软件中的超级循环（super cycle）交替对整个计算域进行瞬态流动传热和固体域导热计算。使用 C12H26作为燃料，仿真模型基础网格尺寸设为 1.2 mm，在流体域内的喷雾区、喷雾火焰扩散区与固体域上表面附近采用 3 级固定区域加密，另外使用4 级 自 适 应 网 格 加 密（adaptive mesh refinement，AMR），最大网格数为 12 334 904 个。仿真计算采用大涡模拟，亚格子模型采用的是动力结构模型（dynamic structure model）；喷雾火焰图1喷雾火焰扩散半径R、回弹高度H及撞壁距离h的说明图表 1标定试验的试验工况项目燃油喷孔直径/mm喷孔数量/个喷射持续期/ms喷射压力/MPa环境密度/（kg m-3）环境氧体积分数/%环境温度/K撞壁距离/mm参数0号柴油0.1413.37150152190037.5 10内燃机工程2023年第 4期沿着壁面发展扩散的同时，也会向壁面对流传热，本文中采用 O Rourke&Amsden 壁面传热模型进行计算分析20。仿真考虑撞壁距离、喷射压力和环境氧体积分数对撞壁喷雾火焰传热特性的影响，表 3 列出了仿真工况，其中工况 0 为基准组。图 3 对仿真计算过程中的温度记录点进行说明，记录固体域上表面径向 4 个点的温度数据，每个点相距 10 mm，依据所记录的温度数据计算热流密度，以此衡量喷雾火焰在不同工况下相应 4 个撞壁点处的传热特性并进行对比分析。3结果与讨论3.1仿真模型标定图 4 为试验和仿真得到的喷雾参数的对比结果。整体而言，仿真计算得到的喷雾贯穿距、扩散半径及回弹高度的结果与试验测得的结果基本一致，证明了模型的可用性。图 5 和图 6 为仿真计算和相应的试验工况下高速相机拍摄的喷雾火焰随时间和空间发展的对比图像。如图 5 所示，喷雾在 0.35 ms 左右开始燃烧并在此时撞击壁面，之后喷雾火焰沿着壁面扩散，喷雾火焰扩散途中会伴随着空气卷吸在扩散中心和扩散前端分别形成涡流，随着时间的发展喷雾火焰会扩散铺满整个壁面。整体来看，撞壁时刻、着火时刻及整体喷雾火焰的发展形态基本一致，再次证明了仿真模型的可用性。3.2撞壁距离的影响仿真计算中，采用与试验工况相同的壁面材质（304 不锈钢），其热物性参数均保持一致，初始壁温为 423 K，喷油持续期为 3.37 ms。图 7 为 3 个撞壁距离下 4 个位置处仿真计算得出的壁面温度和热流密度随时间的变化情况，这里的时间代表的是喷油后的时间。可以看到，当喷雾火焰撞击壁面后，首先撞击到中心点即位置 1 处，因此位置 1 处的温度最先上升，随着喷雾火焰沿着壁面扩散发展，沿径向位置温度依次上升，壁面上位置 1 到位置 4 稳定阶段的温度依次递减；另外，从喷雾火焰到达记录点到喷射结束，这一阶段为撞壁喷雾火焰稳定传热阶段，对应图像中的平缓阶段。单独观察图 7 中热流图像，初始阶段热流维持在一个较小值，这表明流体域 900 K 的环境向壁面图 2仿真三维模型示意图表 2仿真子模型子模型燃烧模型破碎模型湍流模型壁面传热模型喷雾撞壁模型液滴蒸发模型液滴碰撞模型模型名称CTCKH-RTLESO Rourke and AmsdenWall FilmFrosslingNTC表 3仿真工况工况序号0123456789撞壁距离/mm403040504040喷射压力/MPa150150120150180150环境氧体积分数/%212121151821图 4喷雾各参数标定结果图 3温度数据的记录位置 112023年第 4期内燃机工程的传热量并不大；随着火焰的传播，当火焰与壁面某位置接触时，此位置处热流开始急剧上升，之后进入撞壁喷雾火焰传热的稳定阶段，此阶段喷雾火焰持续向壁面传递热量，形成较为稳定的热流；随后热流密度逐渐降低，对应喷雾喷射结束阶段。另外，壁面中心即位置 1 处的热流并不是最大，这是因为位置 1 对应喷雾火焰中心轴混合气的冲击，而如图 5 所示喷雾火焰中心轴线处温度较低，这也是温度图像中位置 1与位置 2 的温差小于位置 2 与位置 3 及位置 3 与位置 4 间温差的原因；撞壁过程湍流速度变化剧烈，也造成了位置 1 处热流波动较大。位置 2 对应较高温度火焰撞壁位置，热流密度最大，而位置 3 和位置 4处的热流密度依次下降，主要是因为喷雾火焰在经过位置 2 后有较大的动量损失，特征速度降低，影响局部传热系数，导致热流密度下降。为了更为直观地观察撞壁距离的变化对壁面径向不同位置处热流的影响，分别将 4 个位置撞壁距离变化时的热流数据进行归纳，图 8 为不同位置处热流密度随撞壁距离变化结果的归纳图。可以看到随着撞壁距离的增加，热流开始上升的时刻延后，意味着撞壁时刻的延后。撞壁距离增加时，4 个位置处的热流变化并不显著，意味着撞壁距离的变化对壁面不同位置处热流的影响较小。3.3喷射压力的影响图 9 为 3 种喷射压力下 4 个位置处仿真计算得到的壁面温度和热流密度随时间的变化情况。值得注意的是，应保持 3 种喷射压力下喷油总量不变，仅探究喷射压力改变造成的喷雾火焰撞壁过程的传热变化。由图 9 可以看到，随着喷射压力增大，温度和热流的起始上升时刻提前，意味着撞壁时刻的提前，温度上升明显。图 10 为 4 个位置喷射压力变化时的热流变化汇总图。由图 10 可以看出，除位置 1外，其他 3 个位置处的热流值随着喷射压力的升高都有着不同程度的上升。这是因为喷射压力的增加会使喷雾火焰的湍流动能增大，影响当地传热系数，从而造成热流密度增加。图 7不同撞壁距离下不同位置温度与热流密度的比较图 5仿真计算的喷雾火焰随喷油后时间的发展图 6试验拍摄的喷雾火焰随喷油后时间的发展 12内燃机工程2023年第 4期3.4环境氧体积分数的影响图 11 为 3 种环境氧体积分数下 4 个位置处仿真计算得到的壁面温度和热流密度随时间的变化情况。随着环境氧体积分数的升高，温度不同程度地升高，撞壁时刻的变化并不明显。图 12 为 4 个位置环境氧体积分数变化时的热流变化汇总图。除位置1 外，其他位置处的热流密度都随环境氧体积分数的增加而增加。图 13 为壁面上方 1 mm 处近壁面火焰温度分布云图，分别展示了 3 种环境氧体积分数下 3 个主要燃烧时刻（喷油后 1 ms、2 ms 和 3 ms）的图像。可以看到，随着环境氧体积分数的升高，喷雾火焰燃烧加剧，火焰温度明显上升，与此同时火焰与壁面的温差增加，使得除位置 1 外的其他3 个位置热流密度均升高。3.5不同工况下的总传热量为了更直观地比较不同参数对壁面传热的影响，探究了喷油开始时刻到喷油后 5 ms 这一期间的壁面总传热量，图 14 为表 3 中 9 个仿真工况下壁面总传热量的柱状归纳图。工况 1工况 3 为撞壁距离影响下的一组工况；工况 4工况 6 为喷射 压力影响下的一组工况；工况 7工况 9 为环境氧体积分数影响下的一组工况。在本研究的参数变化范围内，撞壁距离和喷射压力对壁面传热的影响较小。其中，撞壁距离增加并不一定造成壁面传热总量升高，即撞壁距离与壁图 8不同位置热流密度随撞壁距离的变化图 9不同喷射压力下不同位置温度与热流密度的比较图 10不同位置热流密度随喷射压力的变化 132023年第 4期内燃机工程面传热量间并不存在规律一致性，这可能是因为：撞壁距离增加一方面使燃料在流体域内混合的时间增长，混合效果提升，燃料燃烧更完全，向壁面释放更多热量；另一方面，撞壁距离的增加使喷雾火焰的湍能耗散增加，使其撞击壁面时湍流速度减慢，向壁面的传热量减少。综合上述两方面考虑，撞壁距离变化对壁面传热量的影响需结合实际工况条件下撞壁距离改变造成的喷雾火焰燃烧强度和撞壁时刻湍流强度变化的相对大小来分析。另外，喷射压力升高会使壁面总传热量上升，这是因为喷射压力的增加会使喷雾火焰的湍流动能增大。环境氧体积分数对壁面传热的影响较大。环境氧体积分数增加，壁面总传热量显著上升，这是因为环境氧体积分数增加会使喷雾火焰燃烧加剧，近壁面火焰温度上升。4结论（1）通过流固耦合仿真计算探究了撞壁距离、喷图13不同环境氧体积分数下不同喷油后时刻近壁面火焰温度图 14不同工况下的壁面总传热量图 11不同环境氧体积分数下不同位置温度与热流密度图 12不同位置热流密度随环境氧体积分数的变化 14内燃机工程2023年第 4期射压力及环境氧体积分数对柴油机喷雾火焰撞壁过程传热特性的影响，结果表明：喷雾火焰中心轴线处温度较低，射流撞壁中心处壁面温度和热流密度均较低；撞壁后随射流沿径向发展，壁温依次降低，热流密度先增加，后降低。（2）喷雾火焰撞壁距离从 30 mm 增加到 50 mm，随射流沿壁面发展，壁温和热流密度变化较小，喷雾火焰向壁面的总传热量变化较小。（3）喷射压力从 120 MPa 增加到 180 MPa，撞壁初期热流密度增加较快；随射流沿壁面发展，不同位置处热流密度均增加，向壁面的总传热量增加。（4）环境氧体积分数从 15%增加到 21%，喷雾火焰燃烧加剧，近壁面火焰温度升高，撞壁初期热流密度变化不大；随射流沿壁面发展，不同位置处热流密度均增加，向壁面的总传热量增加。参考文献：1 JIA M，GINGRICH E，WANG H，et al.Effect of combustion regime on in-cylinder heat transfer in internal combustion engines J.International Journal of Engine Research，2016，17（3）：331346.2 FRIDRIKSSON H S，TUNER M，ANDERSON O，et al.Effect of piston bowl shape and swirl ratio on engine heat transfer in a light-duty diesel engineC/OL/SAE Technical Paper，2014：2014-01-1141（2014-04-01）2022-12-27.DOI：10.4271/2014-01-1141.3 WOLF R S，CHENG W K.Heat transfer characteristics of impinging diesel spraysC/OL/SAE Technical Paper，1989：890439（1989-02-01）2022-12-27.DOI：10.4271/890439.4 ARCOUMANIS C，CHANG J C.Heat transfer between a heated plate and an impinging transient diesel spray J.Experiments in Fluids，1993，16（2）：105119.5 巽健，前田篤志，宮田哲次，他.噴霧火炎壁面熱損失画研究噴射圧力熱流束及影響J.自動車技術会論文集，2016，47（6）：12911296.6 巽健，前田篤志，中田将德，他.噴霧火炎壁面熱損失関研究（第 2報）噴射熱流束及影響 J.自動車技術会論文集，2017，48（5）：969974.7 巽健，前田篤志，中田将徳，他.噴霧火炎壁面熱損失関研究（第 3 報）燃料加熱熱流束及影響 J.自動車技術会論文集，2018，49（2）：138143.8 巽健，前田篤志，中田将徳，他.噴霧火炎壁面熱損失関研究（第 4 報）噴孔径熱流束及影響 J.自動車技術会論文集，2018，49（2）：144149.9 前田篤志，荒井直之，中田将徳，他.噴霧火炎壁面熱損失関研究（第 5 報）各制御熱損失及影響 C/横浜：自動車技術会 2017年春季大会学術講演会，2017.10荒井直之，中田将徳，前田篤志，他.噴霧火炎壁面熱損失関研究（第 6 報）壁面衝突距離衝突角度熱流束及影響 C/横浜：自動車技術会2017年春季大会学術講演会，2017.11MAHMUD R，KURISU T，NISSHIDA K，et al.Experimental study on flat-wall impinging spray flame and its heat flux on wall under diesel engine-like condition：first reporteffect of impingement distance J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2019，233（8）：21872202.12MAHMUD R，KURISU T，NISSHIDA K，et al.Effects of injection pressure and impingement distance on flat-wall impinging spray flame and its heat flux under diesel engine-like condition J/OL.Advances in Mechanical Engineering，2019，11（7）.（2019-07-31）2022-12-27.DOI：10.1177/1687814019862910.13MAHMUD R，KURISU T，NISSHIDA K，et al.Characteristics of flat-wall impinging spray flame and its heat transfer under small diesel engine-like condition.3th report：effect of oxygen concentrationJ/OL.IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，462（1）：012046（2018-09-29）2022-12-27.DOI：10.1088/1757-899X/462/1/012046.14MAHMUD R，KURISU T，AKGOL O，et al.Characteristics of flat-wall impinging spray flame and its heat transfer under diesel engine-like condition：effects of injection pressure，nozzle hole diameter and impingement distance J.SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility，2019，2：319329.15MAHMUD R，KURISU T，OGATA Y.Experimental and computational study of diesel spray under nonevaporating and evaporating conditions-effects of nozzle hole diameter and injection pressureJ.Atomization and Sprays，2020，30（9）：627649.16MAHMUD R，KURISU T，OGATA Y，et al.Characteristics of wall heat transfer from impinging diesel spray flame in low oxygen concentration ambient J/OL.IOP Conference Series：Materials Science and Engineering.2021，1010（1）：012003（2020-09-26）2022-12-27.DOI：10.1088/1757-899X/1010/1/012003.17ZHOU X，LI T，LAI Z，et al.Scaling fuel sprays for different size diesel engines J.Fuel，2018，225：358369.18ZHOU X，LI T，YI P，et al.On the fuel injection rate profile as boundary conditions for diesel spray combustion simulationsJ/OL.Fuel，2020，276：118026（2022-09-15）2022-12-27.DOI：10.1016/j.fuel.2020.118026.19LI T，ZHOU X，WANG N，et al.A comparison between low-and high-pressure injection dual-fuel modes of diesel-pilot-ignition ammonia combustion engines J.Journal of the Energy Institute，2022，102：362373.20AMSDEN A A，FINDLEY M.KIVA-3V：a block-structured KIVA program for engines with vertical or canted valvesM.Livermore：Lawrence Livermore National Laboratory，1997：5960.15