壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响.pdf

燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023，29(4)：)：373-380DOI 10.11715/rskxjs.R202305034 收稿日期：2023-05-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51906077).作者简介：杨 灿(1986)，男，博士，副教授.通信作者：杨 灿，.壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响 杨 灿1，李庆旗1，龚 涛2，成晓北1，王英达1(1.华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074；2.东风商用车技术中心，武汉 430074)摘 要：根据撞壁距离L与自由喷雾液相贯穿距liquidL之比，将喷雾撞壁模式分为严重湿壁、轻微湿壁、临界湿壁、未湿壁通过高温高压定容弹试验和 OpenFOAM 仿真，研究了高、低壁温条件下，4 种喷雾撞壁模式对着火特性、火焰发展特性以及燃油分布特性的影响结果表明：提高壁面温度可以促进喷雾着火及燃烧过程，且其促进作用随liquidL L增大而减小；高壁温条件下，一定程度的喷雾撞壁有利于油气混合和燃烧，低壁温条件下则相反 关键词：壁面温度；撞壁距离；燃烧特性；定容弹；OpenFOAM 中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2023)04-0373-08 Effects of Wall Temperature and Impingement Distance on Impinged Diesel Spray Ignition and Combustion Characteristics Yang Can1，Li Qingqi1，Gong Tao2，Cheng Xiaobei1，Wang Yingda1(1.School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，Wuhan 430074，China)Abstract：This study examines experimentally the interactions of wall temperature and impingement distance and their effects on the impinged diesel spray ignition and combustion characteristics in a modified constant-volume combustion chamber.Two wall temperatures of 570 K and 800 K and four impingement distances that correspond to severe wall-wetting，slight wall-wetting，critical wall-wetting，and non-wall-wetting separately are tested.The results indicate that increasing wall temperature can promote auto-ignition and the following combustion process，denoted by shorter ignition delays and higher flame area and spatially integrated natural luminosity values，but the promotional effect generally weakens with the increase of impingement distance.When the wall temperature is high enough，the spray/wall impingement can accelerate the evaporation of fuel and its mixing with the entrained air，and decreasing the impingement distance will promote auto-ignition and combustion.The trend is basically the op-posite in low-wall temperature cases where the cooling effect plays a leading role.Keywords：wall temperature；impingement distance；combustion characteristic；constant-volume combustion chamber；OpenFOAM 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 374 在高转速、高喷射压力、小缸径柴油机中，受限于燃烧室几何尺寸，喷雾撞壁几乎无法避免1-2 除此之外，在冷启动条件下，缸内环境差，喷雾蒸发差，喷油量较正常工况更大，柴油发动机喷雾撞壁亦经常发生3 喷雾撞壁会影响喷雾的破碎、雾化和蒸发过程，一方面，撞壁形成的头部涡流可加速喷雾对空气的卷吸、促进可燃混合气的形成，另一方面，液相喷雾撞壁所造成的“湿壁”效应，一定程度上加剧了碳烟的生成和排放 已有研究表明燃烧后期附壁油膜池火燃烧是碳烟生成的主要原因之一4 撞壁所造成的混合气当量比在时间和空间上的不同对后期的燃烧和排放特性产生影响5-8 撞壁距离作为影响喷雾/火焰撞壁发展特性的重要参数之一，其影响规律的研究对指导发动机燃烧室几何设计和喷油策略制定有重要意义 毛立伟等9运用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术，研究了高温高压下，撞壁距离对柴油喷雾撞击平壁后燃油分布特性的影响 研究发现，随撞壁距离增大，液相燃油质量分数增大，浓混合区气相燃油质量分数减小，较浓混合区气相燃油质量分数先增大后基本保持不变，稀混合区气相燃油质量分数增大 Sato等10运用一种新型激光全息方法，探究了高压常温下，撞壁距离和撞壁角度对喷雾索特平均直径(SMD)空间分布的影响 结果表明：与自由喷雾相比，自由射流区喷雾的 SMD 基本相同，而在撞壁后壁面射流区钝角侧喷雾的 SMD 更大，锐角侧喷雾的SMD 更小 在较小的撞壁距离下，喷雾在壁面的积聚度更高，钝角侧喷雾头部 SMD 更大 在较小的撞壁夹角下，喷雾撞壁的动量损失较小，对喷雾破碎的影响小，钝角侧喷雾头部的 SMD 更大 Liu 等11综合运用高速摄影，Mie 散射和纹影法，研究了不同壁面条件下柴油喷雾的着火和燃烧特性，发现在较小撞壁距离下，撞壁可有效促进可燃混合气的生成，加速火焰发展，随撞壁距离增加，滞燃期延长 Li 等12运用激光吸收散射法，在高温高压条件下，研究撞壁距离对射流喷雾和火焰发展特性的影响 研究发现，在小撞壁距离下，喷雾蒸发速率较慢，当撞壁距离增大到 60mm 时，喷雾在撞壁前完全蒸发；随撞壁距离增大，火焰平均温度增大，撞壁冲击对碳烟的生成速率影响较小，但可提高其氧化速率 Imrf 等13综合运用高速相机直拍和双色法，在高温高压条件下，研究壁面距离对火焰撞壁燃烧过程和碳烟生成过程的影响，研究发现，随撞壁距离减小，撞壁冲击对油气混合的驱动力增强，碳烟温度和碳烟含量降低 上述学者的研究大多仅基于单纯撞壁距离，所得规律的普适性较差，无法将不同环境压力、环境温度、喷油压力等因素所造成的喷雾液相贯穿距的变化考虑在内，未考虑喷雾液相贯穿距变化对湿壁状态的影响 基于此本文假设壁面存在对喷雾自由射流段无影响14-15，以撞壁距离L与同工况下自由喷雾液相贯穿距liquidL比值作为无量纲撞壁距离 根据无量纲撞壁距离liquidL L的大小，将喷雾的撞壁模式分为 4种，即严重湿壁模式、轻微湿壁模式、临界湿壁模式、未湿壁模式 通过定容弹试验，研究高、低壁温条件下不同撞壁模式对喷雾燃烧特性的影响，结合OpenFOAM 仿真所获得的当量比分布特性和浓度耗散率揭示其内在原因 1 试验装置和试验条件 1.1 试验装置与试验原理 试验在电加热式高温高压定容弹中进行，图 1 为装置示意 试验所用喷油器为单孔喷油器，喷孔直径为 0.19mm，所用柴油为 0#柴油 研究模拟活塞壁面为平壁，可避免自由射流和壁面次级射流间的相互干扰，减小复杂性 本研究所用模拟活塞为冷却水式，壁面温度由 4 支同轴薄膜热电偶测得，热电偶顶端距壁面 0.5mm，根据 4 支热电偶所测平均温度，调节冷却水流量，实现壁面温度的调节 模拟活塞冷却水管与适配器以直通式卡套的方式密封和连接，在弹体常压、冷态下，可通过拆卸卡套，将模拟活塞推至相应位置，实现撞壁距离的调节 图 1 试验装置示意 Fig.1 Schematic diagram of the CVCC system 本文基于高速纹影摄影技术，捕捉自由射流喷雾的气相贯穿距和撞壁喷雾的铺展距离，分别用以标定数值模型计算和描述撞壁喷雾发展过程；基于背光拍摄法，捕捉自由射流液相喷雾贯穿距、观察 4 种撞壁模式下液相喷雾湿壁情况；采用广域低通化学发光法，捕捉着火时刻小分子激发态自由基 CH*、C2*等杨 灿等：壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响 燃烧科学与技术 375 在能级跃迁时的化学发光16，以获得 4 种撞壁模式下火焰的滞燃期和着火位置；基于 ND 减光拍摄法，过滤柴油燃烧过程中的化学光，可近似认为只保留碳烟辐射光17-18，以获得 4 种撞壁模式下的综合火焰亮度和火焰面积 1.2 试验工况 试验工况详见表 1，为准确实现对严重湿壁、轻微湿壁、临界湿壁和未湿壁 4 种撞壁模式的试验研究 首先，通过试验获得环境压力 3MPa(环境温度850K，N2氛围)自由射流工况下，准稳态阶段喷雾液相贯穿距时均值，如图 2 所示，基于此，本文选取了25mm、35mm、45mm、55mm 等 4 种撞壁距离，分别对应上述 4 种撞壁模式，如表 2 所示 表 1 试验工况参数 Tab.1 Experiment conditions 参数 数值 喷油压力inj/MPap 140 喷油脉宽/ms 1 喷孔直径inj/mmD 0.19 喷油量/mgM 15.657 9 环境压力a/MPap 3 环境温度a/KT 850 壁面温度w/KT 800，570 相机帧率/(帧s-1)10 000 图 2 自由射流工况下的喷雾液相贯穿距 Fig.2 Liquid spray penetration length under non-combustion conditions 表 2 4种不同撞壁距离 Tab.2 Four different wall impingement distances 撞壁距离/mm L/Lliquid 撞壁模式 25 0.54 严重湿壁 35 0.76 轻微湿壁 45 0.97 临界湿壁 55 1.19 未湿壁 2 OpenFOAM数值计算模型建立及标定 为定量分析多条件下 4 种撞壁模式对油气混合特性的影响，揭示试验所描述的火焰撞壁的宏观规律 本研究基于 OpenFOAM 建立定容弹喷雾撞壁的数值计算模型 计算采用六面体均匀结构化网格，达到精确计算壁面射流区的目的，近壁区域法向进行网格加密，图 3 为轻微湿壁模式下的网格模型 数值计算中，湍流模型、粒子碰撞模型、破碎模型等子模型选择见表 3 图 3 OpenFOAM网格模型示意 Fig.3 Schematic diagram of grid model 表 3 OpenFOAM模型选择 Tab.3 Model selection in OpenFOAM calculation 模型类别 模型选择 湍流模型 RNG k-粒子碰撞模型 Nordin 破碎模型 KH-RT 撞壁模型 Rebound 为保证计算精度、缩减计算规模，本文选取1.00mm、0.75mm、0.50mm、0.25mm 等 4 种不同尺寸网格进行网格无关性验证，不同网格尺寸模型中每秒拉格朗日粒子数分别设置为 1.25107、2.5107、5107和 210819 时间步长为自适应时间步长，为保证数值稳定和时间计算精度，计算过程中最大库朗数max0.5Co 计算工况为自由射流喷雾，对比项为喷雾气相和液相贯穿距，计算结果如图 4 所示 当网格尺寸为 0.50mm 时，计算所得的气相和液相贯穿距相对误差最小，故选择 0.50mm 的网格作为最终计算 图 4 网格适应性验证 Fig.4 Grid adaptability verification 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 376 用网格 对壁面附近 10mm 范围内的壁面法向进行网格加密，加密区壁面法向网格尺寸为 0.02mm 在此基础上，为验证 OpenFOAM 模型计算结果的真实性，本文对inj=140 MPap工况下自由射流喷雾的气相和液相贯穿距与实验值进行标定，标定结果如图 5 所示 图 5 数值仿真模型的标定 Fig.5 Calibration of numerical simulation model 3 结果与分析 3.1 不同撞壁模式下的液相喷雾湿壁特性 图 6 为背光拍摄法所得到的准稳态阶段喷射后时刻为 0.9ms 时，不同撞壁模式下喷雾的液相直拍图像 高壁温和常规壁温下，严重湿壁和轻微湿壁模式均有明显的液相喷雾撞壁现象，前者液相燃油附壁现象严重，后者则较为轻微，表现为严重湿壁模式下液相铺展距离均大于轻微湿壁模式下 而在临界湿壁和未湿壁模式下，从背光直拍图中未现液相燃油附壁现象 对比图 6(a)和图 6(b)不同壁面温度下严重湿壁模式和轻微湿壁模式，可以发现，相同撞壁模式高壁温下液相铺展距离均小于低壁温下，这是因为前者喷雾与壁面的温差较大，壁面热流量高，附壁喷雾蒸发速率快 （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 6 不同撞壁模式下液相喷雾背光直拍图像 Fig.6 Liquid phase spray under different wall impingement distances 3.2 不同撞壁模式下的喷雾着火特性 根据 4 种撞壁模式下广域低通化学发光法拍摄所得的喷雾着火图像可以获得着火点位置和着火滞燃期，如图 7 所示 在高壁温条件下(w800 KT=)，随撞壁距离增大，滞燃期呈先增大后减小的趋势 这主要有以下两方面原因：撞壁增大了喷雾对空气的卷吸速率，使滞燃期缩短，这一效应随撞壁距离增大逐渐减小；较小的撞壁距离下，空间相对狭小，热空气量少，导致蒸发时混合气流场内温度相对较低，使滞燃期延长 在低壁温条件下(w570 KT=)，随撞壁距离的增大，滞燃期亦呈现出相同的变化趋势，但与高壁温工况下相比，其整体滞燃期延长，且严重和轻微湿壁撞壁模式下，滞燃期延长值更大 这是因为两种壁温下撞壁喷雾的着火点均在壁面附近，而低壁温下近壁区域流场温度相对较低，着火准备时间相对较长，附壁油膜蒸发和壁面传热所造成的局部冷区在狭小空间内占比更大，因而滞燃期更长 在高壁温条件下(w800 KT=)，随撞壁距离增大，着火点几何中心到壁面滞止点的径向距离逐渐减小，而在低壁温条件下(w570 KT=)，着火位置则呈现出先增大后减小的趋势，如图 8 所示 整体上，严重湿壁和轻微湿壁模式下着火点几何中心到壁面滞止点的径向距离大于临界湿壁和未湿壁模式下，这是因为着火点位置受喷雾沿壁面铺展距离、滞燃期、撞壁时刻等多种因素的影响，着火点距滞止点径向距离随铺展距离的增大而增大，随滞燃期的延长而增大，前者随撞壁距离的增大而减小，后者则随撞壁距离增大先增大后减小 杨 灿等：壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响 燃烧科学与技术 377 图 7 不同撞壁模式下的滞燃期 Fig.7 Ignition delay under different wall impingementdistances 图 8 不同撞壁模式下着火点到壁面滞止点的径向距离 Fig.8 Ignition location(radial distance)under differentwall impingement distances 3.3 不同撞壁模式下火焰发展特性 结合图 9(a)和(b)可以发现，两种壁面温度下综合火焰亮度(SINL)随撞壁距离的增大都呈现先减小后增大的趋势 Mueller 等20的研究表明，综合火焰亮度与碳烟体积分数直接相关 这表明，在临界湿壁和未湿壁模式下，火焰燃烧过程中的瞬时碳烟质量分数较高 这主要是由于较大的撞壁距离下撞壁所引起的近壁涡流、扰动较弱，油气速率低，浓混合气质量分数高，相较于轻微湿壁模式，临界湿壁模式下，湿壁严重，附壁油膜质量大，池火燃烧所生成碳烟量高 整体上相同撞壁模式时常规壁温下的综合火焰亮度小于高壁温下，这是因为常规壁温下滞燃期相对较长，着火前油气混合时间更长，着火时浓混合气质量分数低，同时壁面传热量大，燃烧温度低，瞬时碳烟质量分数小 在燃烧持续期方面，两种壁面温度下，严重湿壁模式和轻微湿壁模式持续期更长，SINL峰值点后燃烧过程缓慢 不同撞壁模式下，火焰面积随时间的变化规律如图 10 所示 与综合火焰亮度类似，火焰面积随撞壁距离的增大呈先减小后增大的趋势 在峰值上，未湿壁模式下火焰峰值面积更大，这与其瞬时碳烟含量更高，可利用燃烧空间更大有关 而在严重湿壁模式下，虽然其综合火焰亮度值最高，但是由于其燃烧空 （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 9 不同撞壁模式下的综合火焰亮度 Fig.9SINL developing curves under different wall im-pingement distances （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 10 不同撞壁模式下的火焰面积 Fig.10Flame area developing curves under different wall impingement distances 间受限，其火焰面积并不是最高值 在轻微湿壁和临界湿壁下，由于其适中的撞壁距离和空间大小，使得其对自由射流区和壁面射流区的空气利用率较好，瞬时碳烟含量较低，瞬时碳烟空间分布区域小 与综合燃烧科学与技术 第 29 卷 第 4 期 378 火焰亮度相比，常规壁温下对应撞壁模式下的火焰面积与高壁温下相比略小但差值不大，这表明高/常规壁温下碳烟在空间的分布区域大小相当，但常规壁温下瞬时碳烟质量分数更小 3.4 不同撞壁模式下喷雾燃油和温度分布 如图 11 所示，在高、低不同壁面温度条件下，严重湿壁模式下01 范围内稀混合气瞬时燃油质量分数均远大于其余撞壁模式下的值，2范围内浓混合气的瞬时燃油质量分数则与之相反 这说明较小的撞壁距离下喷雾对空气的卷吸速率更高 但严重湿壁模式下，附壁油膜质量大，池火燃烧严重，造成火焰的碳烟生成量较高，综合火焰亮度和火焰面积值较大 在轻微湿壁模式下，01 范围内的瞬时燃油质量分数也明显大于临界湿壁和未湿壁下，2范围内的瞬时燃油质量分数则相反 而此时，液相喷雾壁面沉积量少，池火燃烧对碳烟的生成影响较小 而临界湿壁和未湿壁模式下，不同当量比范围内的瞬时燃油质量分数的变化较小，前者稀混合气范围内的瞬时燃油质量分数略大于后者，而浓混合气范围内的瞬时燃油质量分时略小于后者，这也揭示了为何未湿壁模式下瞬时碳烟生成量和分布空间略大于临界湿壁模式下 着火时刻，常规壁温严重湿壁和轻微 （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 11 着火时刻 4种撞壁模式下当量比分布 Fig.11 Equivalent ratio distribution under four wall im-pingement distances at the time of ignition 湿壁模式下，02 区间稀混合气的瞬时燃油质量分数大于高壁温下 而临界湿壁和未湿壁模式下未现明显差距，常规壁温下综合火焰亮度和火焰面积整体较低，主要原因在于常规壁面温度下壁面传热量大.为了进一步讨论 4 种撞壁模式下，喷雾对空气的总体卷吸速率差异，本文分析了着火前同一时刻喷射后时刻为 1ms 时，不同当量比范围内的瞬时燃油质量分数，如图 12 所示 两种壁面温度下，01 范围内的瞬时燃油质量分数随撞壁距离增大而迅速减小后基本保持不变；12 范围内的瞬时燃油质量分数随撞壁距离增大略有减小但差值不大；而23 范围内的瞬时燃油质量分数随撞壁距离增大略有增大；34 范围内的瞬时燃油质量分数则明显随撞壁距离增大而增大；4范围内的瞬时燃油质量分数随撞壁距离增大先增大后减小 原因是随撞壁距离的增大，喷雾撞壁时的动量更小，撞壁对喷雾的破碎和蒸发加速作用减弱，但当撞壁距离增大到一定值时，喷雾撞壁进入临界湿壁或未湿壁模式，影响喷雾蒸发的主要是自由射流区大小对比图12(a)和(b)可以发现，同一撞壁模式，喷射后时刻为1ms 时，严重湿壁和轻微湿壁模式下，02 区间内稀混合气质量分数也略高于常规壁温下 （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 12 ASOI1 ms时 4种撞壁模式下当量比分布 Fig.12Equivalent ratio distribution under four wall im-pingement distances at ASOI1 ms 杨 灿等：壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响 燃烧科学与技术 379 不同撞壁模式下流场最低温度如图 13 所示 在高、低两种壁温条件下，随着撞壁距离的减小，喷雾湿壁程度增加，由于喷雾蒸发吸热导致流场最低温度逐渐下降，临界湿壁和未湿壁条件下的流场温度相差不大 这也解释图 7 所示的滞燃期随撞壁距离增大先增大后减小的第 2 个原因，即严重湿壁模式下，撞壁距离下，空间狭小，热空气含量少，蒸发时混合气流场内温度相对较低 对比高、低壁温条件下的流场温度变化，可以发现在低壁温下 ASOI 处于1.15ms，1.6ms区间内的流场温度更低，这也是其滞燃期更长的主要原因 （a）Tw800 K （b）Tw570 K 图 13 不同撞壁模式下的流场最低温度 Fig.13 The minimum temperature of the flow field underdifferent wall impingement distances 4 结 论(1)随着壁面温度升高，滞燃期缩短，火焰面积和火焰综合亮度增加 且湿壁程度越大，壁面温度的影响越显著 (2)在高壁温条件下，喷雾撞壁可以促进油气混合，以及着火和燃烧过程，而在壁面温度较低时则 相反 (3)随撞壁距离减小，撞壁所形成的壁面射流区涡流对喷雾与空气的混合的促进作用增强，严重湿壁和轻微湿壁撞壁模式下壁面射流区瞬时平均浓度耗散率较大，02 区间内稀混合气质量分数较高 参考文献：1 Katsura N，Saito M，Senda J，et al.Characteristics of a diesel spray impinging on a flat wallJ.SAE Transac-tions，1989，98(3)：252-268.2 Lee Seong Hyuk，Hong Sun Ryou.Modeling of diesel spray impinging on flat wallJ.KSME International Journal，2000，14：796-806.3 邓 鹏.喷雾碰壁模型及柴油机冷起动的数值研究D.长沙：湖南大学，2016.Deng Peng.Numerical Study on Spray/Wall 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