包堂堂，鄧 俊，吳志軍

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海200092）

自燃是指燃料與氧化劑混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引發(fā)熱爆炸的現(xiàn)象，它伴隨有由于燃料與氧化劑混合過程所導(dǎo)致的物理延遲及由于化學(xué)反應(yīng)引發(fā)起始火焰的化學(xué)延遲，而湍流反應(yīng)流中的自燃更是一個(gè)非常重要的、國(guó)際前沿的燃燒基礎(chǔ)研究方向之一；是柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒研究中的關(guān)鍵內(nèi)容.然而由于對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒的試驗(yàn)測(cè)量非常困難，目前對(duì)湍流反應(yīng)流中的自燃研究大多是采用數(shù)值模擬的方法來研究湍流反應(yīng)流中自燃的發(fā)生條件、反應(yīng)機(jī)理以及采用不同燃燒模型對(duì)自燃進(jìn)行預(yù)測(cè)等［1－2］.可控活化熱氛圍燃燒器［3］能夠方便地通過改變協(xié)流混合氣的當(dāng)量比，提供700～1 500K 的穩(wěn)定的熱氛圍及10%～19%的氧氛圍［4］.從而可以詳細(xì)地研究氣體及液體燃料的自燃著火規(guī)律及影響其穩(wěn)定燃燒的主要因素，進(jìn)而為實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制提供理論依據(jù)，可控活化熱氛圍燃燒器示意圖及實(shí)物圖如圖1—2所示.

圖1 可控活化熱氛圍燃燒器示意圖Fig.1 Sketch of the controllable active thermoatmosphere burner

圖2 可控活化熱氛圍燃燒器實(shí)物圖Fig.2 Picture of the controllable active thermoatmosphere burner

美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校燃燒分析實(shí)驗(yàn)室利用該燃燒裝置研究了H2／N2湍流噴射火焰以及低壓下的甲醇噴霧燃燒［5］，并且利用概率密度函數(shù)（PDF）的方法對(duì)射流火焰進(jìn)行模擬［6］，澳大利亞悉尼大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室在該燃燒器所提供的活化熱氛圍內(nèi)研究了不同氣體的噴射起升火焰［7］，并且采用兩種不同的氫氣的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來研究參數(shù)的變化對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的影響［8］.英國(guó)劍橋大學(xué)在小型的活化熱氛圍燃燒上進(jìn)行了H2以及乙炔的湍流自燃研究［9］.在國(guó)內(nèi)，華中科技大學(xué)王海峰等［10］利用PDF方法模擬了熱協(xié)流中的H2／N2起升火焰，計(jì)算了火焰的溫度場(chǎng)，并將結(jié)果與國(guó)外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.上海交通大學(xué)的馮威等［11－12］對(duì)該燃燒器的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，其結(jié)果與悉尼大學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合.

本課題組鄧俊等［13－14］對(duì)熱氛圍中柴油噴霧自燃現(xiàn)象進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和模擬研究，并且在柴油噴霧試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了影響燃料自燃穩(wěn)定性的臨界溫度的客觀存在，協(xié)流溫度在此臨界溫度兩側(cè)對(duì)噴霧燃燒影響呈現(xiàn)不同的效果.低于此溫度時(shí)著火滯燃期較長(zhǎng)，而且不同溫度下的滯燃期時(shí)間變化較大，由自燃引發(fā)的射流火焰并不穩(wěn)定，在火焰基部不斷有新的自燃現(xiàn)象產(chǎn)生，火焰的穩(wěn)定受控于燃料的自燃，而自燃的時(shí)刻和位置并沒有很強(qiáng)的規(guī)律性，因此火焰穩(wěn)定不易控制.高于臨界溫度時(shí)，著火滯燃期較短，且不同溫度引起的變化不大，同時(shí)由自燃引發(fā)的火焰受火焰?zhèn)鞑サ目刂贫容^穩(wěn)定，且易于控制.由于試驗(yàn)研究中對(duì)協(xié)流溫度調(diào)節(jié)間隔較大（20～25K），無法精確研究臨界溫度附近區(qū)域的柴油噴霧自燃特性.因此在上述研究的基礎(chǔ)上，本文采用條件矩封閉模型（CMC）與三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件相耦合，建立了可控?zé)岱諊虏裼蛧婌F在常壓下的燃燒模型，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證后，將該模型拓展到高壓區(qū)域，計(jì)算了不同環(huán)境壓力下的柴油噴霧滯燃期與火焰起升高度，研究了環(huán)境壓力變化對(duì)臨界溫度所在區(qū)域的影響，并深入地分析了較高環(huán)境背壓下臨界溫度附近區(qū)域內(nèi)協(xié)流溫度變化對(duì)火焰溫度以及中間組分的影響.

1 計(jì)算模型及其驗(yàn)證

圖3是計(jì)算所采用過的網(wǎng)格模型，為縮短計(jì)算時(shí)間，模型取整個(gè)圓周的1／8.流體計(jì)算部分使用商業(yè)流體軟件STAR－CD，計(jì)算模型選取情況見表1.

圖3 計(jì)算所用網(wǎng)格模型Fig.3 The mesh model

表1 計(jì)算選用模型說明Tab.1 Specification of numerical models

圖4為條件矩封閉（CMC）模型和STAR－CD 聯(lián)合運(yùn)算的示意圖，圖中為平均條件焓；hi（T）為各組分在溫度T下的焓值為各組分的品均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為各組分平均速度為平均湍動(dòng)能為平均耗散率；Dt為溫度T下的概率密度；P為概率值；為平均統(tǒng)計(jì)量為平均混合分?jǐn)?shù)為平均混合分?jǐn)?shù)方差；η為混合分?jǐn)?shù)的樣本空間變量；wi（η）為空間變量η處的各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為空間變量η處的平均概率分布.STAR－CD 將Favre平均速度，湍流耗散率以及混合分?jǐn)?shù)的均值和方差等參數(shù)傳遞給CMC，CMC 模型中耦合了CHEMKIN 程序計(jì)算化學(xué)反應(yīng)，CMC 計(jì)算出Favre 平均組分及Favre平均焓，再返回給STAR－CD.本文用正庚烷（n－C7H16）代替柴油，反應(yīng)機(jī)理采用Hewson 32步簡(jiǎn)化機(jī)理.

圖4 CMC與STAR－CD 的耦合流程圖Fig.4 Coupling flow chart between CMC and STAR－CD

圖5和圖6分別為柴油噴霧在熱氛圍中的著火滯燃期和起升高度隨協(xié)流溫度的變化曲線，實(shí)線為計(jì)算結(jié)果曲線，虛線為試驗(yàn)結(jié)果曲線.

計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)初始條件設(shè)定如下：協(xié)流速度為4 m·s－1，環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，噴孔直徑為0.15 mm，噴油器啟噴壓力為20MPa，噴射壓力設(shè)置為25 MPa，噴油持續(xù)期為1.5ms，可以看到，著火滯燃期的計(jì)算值略高于試驗(yàn)值，起升高度計(jì)算值略低于試驗(yàn)值，最大相對(duì)誤差都出現(xiàn)在協(xié)流溫度為1 022 K時(shí)，分別為9.3%，8.4%，相對(duì)誤差最大值不超過10%，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果在可接受誤差范圍內(nèi).從圖上可以看出在1 048K 兩側(cè)，滯燃期及起升高度隨協(xié)流溫度變化呈現(xiàn)了階段變化規(guī)律，低于此溫度時(shí)著火滯燃期較長(zhǎng)，而且不同溫度下的滯燃期時(shí)間變化較大，高于臨界溫度時(shí)，著火滯燃期較短，且不同溫度引起的變化不大，同時(shí)由自燃引發(fā)的火焰受火焰?zhèn)鞑サ目刂贫容^穩(wěn)定，這與試驗(yàn)結(jié)果相符［14］.

2 環(huán)境壓力變化對(duì)柴油噴霧燃燒特性的影響

圖7是不同環(huán)境壓力下，熱氛圍中柴油噴霧滯燃期隨協(xié)流溫度的變化情況，圖8是熱氛圍中柴油噴霧自燃火焰的起升高度隨協(xié)流溫度的變化情況，可見，環(huán)境壓力變化對(duì)滯燃期影響很大.隨著環(huán)境壓力增加，柴油噴霧的滯燃期明顯縮短，起升高度明顯降低.分析認(rèn)為，隨著環(huán)境壓力的升高，空氣密度增加，柴油噴霧和空氣分子的碰撞幾率增加，霧化效果增強(qiáng)，可燃混合氣的形成速率增加，導(dǎo)致柴油噴霧的滯燃期也相應(yīng)減小，另外環(huán)境壓力升高導(dǎo)致噴霧較難往軸向發(fā)展，噴霧貫穿距減小，適合著火的柴油噴霧區(qū)域形成在靠近噴嘴端，使噴霧火焰起升高度下降.熱氛圍中的自燃臨界溫度區(qū)域并沒有隨著環(huán)境壓力的變化而產(chǎn)生較大影響，還是出現(xiàn)在1 048 K附近區(qū)域.

3 臨界溫度區(qū)域內(nèi)溫度及中間組分分布

由于OH 是化學(xué)反應(yīng)鏈傳播的重要活性組分，因此自燃一旦開始，OH 的生成量會(huì)大幅度增加，通?？梢詫H 大量出現(xiàn)的高度定義為火焰的起升高度，用這種定義得到的起升高度和用溫度定義的起升高度幾乎完全一致［15］.本節(jié)就協(xié)流溫度在臨界溫度附近區(qū)域時(shí)，熱氛圍中柴油噴霧自燃過程中產(chǎn)生的OH，以及與其產(chǎn)生密切相關(guān)的HO2、H、O 等活性組分的分布情況展開研究.圖9是不同協(xié)流溫度下，噴霧開始后2.985 ms時(shí)刻，火焰溫度T，以及H、OH、O、HO2等活性基團(tuán)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布（從左到右三列溫度分別為1 046，1 048，1 050K），由于各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)量級(jí)相差較大，為了在同一圖中進(jìn)行比較，將各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)量級(jí)分別設(shè)置為wH×10－4，wOH×10－3，wO×10－4，wHO2×10－3.可以看出，協(xié)流溫度從1 046K 增加到1 048K 時(shí)，溫度T以及OH 等活性基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有明顯增加，增幅在10%左右，當(dāng)協(xié)流溫度從1 048K 增加到1 050K 時(shí)，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，火焰溫度也明顯升高，尤其是在火焰往軸向發(fā)展以后，隨著燃料和空氣混合更加充分，各組分的變化更加明顯，在高度H＝32mm 處，OH、O 等組分以及場(chǎng)內(nèi)最高溫度的增幅均超過了100%.并且，在協(xié)流溫度為1 046K和1 048K 時(shí)，高度H＝40mm 處，活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比于前一個(gè)高度已開始下降，說明火焰發(fā)展到此高度時(shí)化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度已經(jīng)開始下降，但是，在協(xié)流溫度為1 050K 時(shí)，同一高度（H＝40 mm）下，活性組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有出現(xiàn)下降，而是繼續(xù)上升，場(chǎng)內(nèi)最高溫度也持續(xù)升高，這一現(xiàn)象從微觀層面證明了1 048K 附近區(qū)域確實(shí)是熱氛圍中柴油噴霧穩(wěn)定自燃的臨界溫度區(qū)域.

圖9 火焰溫度T 和H、OH、O、HO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布Fig.9 Radial distribution of mass fraction of flame temperature T and H，OH，O as well as HO2

圖10 協(xié)流溫度為1 048K 時(shí)火焰溫度T 和OH 基關(guān)于混合分?jǐn)?shù)f的樣本顆粒分散圖Fig.10 The sample particles scatter diagram of flame temperature T and OH with the mixture fraction when coflow temperature is 1 048K

圖11 不同協(xié)流溫度下火焰溫度T 和OH 基關(guān)于混合分?jǐn)?shù)f 的樣本顆粒分散圖Fig.11 The sample particles scatter diagram of flame temperature T and OH with mixture fraction at different coflow temperatures

圖10和圖11分別為協(xié)流溫度在1 048K 時(shí)和不同協(xié)流溫度下，溫度和OH活性基關(guān)于混合分?jǐn)?shù)f的樣本顆粒分散圖，混合分?jǐn)?shù)f是研究非預(yù)混燃燒所應(yīng)用的一個(gè)重要參數(shù)，在化學(xué)反應(yīng)尺度下f也是一個(gè)守恒標(biāo)量，標(biāo)量耗散率和化學(xué)反應(yīng)速率等重要參數(shù)都可以與混合分?jǐn)?shù)f建立關(guān)系.對(duì)于由一股燃料流和一股氧化劑流組成的簡(jiǎn)單燃燒系統(tǒng)來說，混合分?jǐn)?shù)計(jì)算采用公式如下［15］：

其中，下標(biāo)1代表燃料端，2代表氧化劑端，w代表任意元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以看到，在燃料端w＝w1，故f＝1；在氧化劑端w＝w2，故f＝0.

本文中計(jì)算燃料為正庚烷（碳?xì)淙剂希?，混合分?jǐn)?shù)計(jì)算公式如下，其中Y表示原子量：

式中wH為氫原子總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wH，1為燃料端氫原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wH，2為氧化劑端氫原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wC為碳原子總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wC，1為燃料端碳原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wC2為氧化劑端碳原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；YH，YC，YO分別為氫原子、碳原子及氧原子的原子量.

從圖10中可以清楚地看到柴油噴霧在熱氛圍中的點(diǎn)火過程和分區(qū)特性，在H＝25mm 的位置處，絕大多數(shù)顆粒集中在純混合直線附近，有一小部分開始偏離純混合線，往絕熱反應(yīng)線（化學(xué)平衡反應(yīng)線）附近移動(dòng)，說明在這個(gè)位置已經(jīng)有部分顆粒開始點(diǎn)火，這與圖8中起升高度的計(jì)算結(jié)果也是相符的.隨著高度的向上發(fā)展，到H＝32mm 處，更多的顆粒偏離了純混合曲線開始點(diǎn)火，在H＝40mm 處，大部分顆粒集中到了絕熱反應(yīng)線附近，說明火焰發(fā)展到該位置處時(shí)，燃燒已經(jīng)比較充分，在OH 的樣本顆粒分散圖上也可以得到類似的分析結(jié)果.圖11取某特定時(shí)刻來分析不同協(xié)流溫度對(duì)燃燒特性的影響，所選時(shí)間點(diǎn)與圖9 的時(shí)間點(diǎn)相同，即為噴霧開始后2.985ms時(shí)刻.在該時(shí)刻，在所選的三個(gè)溫度點(diǎn)1 046、1 048、1 050K 下，顆粒開始往絕熱反應(yīng)線附近移動(dòng)，說明在該時(shí)刻顆粒已經(jīng)開始點(diǎn)火，但在各個(gè)高度下都可以看到，協(xié)流溫度為1 046K 時(shí)，顆粒偏離絕熱反應(yīng)線較遠(yuǎn)，而協(xié)流溫度為1 048K 和1 050 K 時(shí)顆粒較為接近絕熱反應(yīng)線，并且兩者顆粒分布位置較為接近，這與圖6的分析結(jié)果也相符.

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，將CMC模型與三維CFD 軟件相耦合，對(duì)可控活化熱氛圍燃燒器下柴油噴霧燃燒現(xiàn)象進(jìn)行了研究，建立了熱氛圍下的柴油噴霧燃燒模型，分析了不同環(huán)境壓力下的臨界溫度變化情況，并對(duì)臨界溫度附近區(qū)域的柴油噴霧燃燒特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）本文建立的熱氛圍下柴油噴霧燃燒模型可以較好地模擬實(shí)際的燃燒情況，對(duì)滯燃期、起升高度等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值稍有誤差，誤差在可接受范圍之內(nèi).

（2）隨著環(huán)境壓力的增加（從2 MPa增加到8 MPa），臨界溫度維持在1 048K 附近，說明環(huán)境壓力并不是影響臨界溫度的關(guān)鍵因素.

（3）2 MPa環(huán)境壓力下，協(xié)流溫度超過臨界溫度以后，熱氛圍中相同時(shí)刻，相同位置的溫度以及中間組分變化較大，協(xié)流溫度從1 048 K 增加到1 050 K，熱氛圍場(chǎng)內(nèi)各組分以及溫度的最大值增幅均超過100%.

（4）在協(xié)流溫度為1 046、1 048、1 050K 三個(gè)溫度點(diǎn)下，對(duì)熱氛圍中的溫度以及OH 基相對(duì)于混合分?jǐn)?shù)f的樣本顆粒分散圖進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示協(xié)流溫度超過1 048K 以后樣本顆粒明顯更加靠近絕熱反應(yīng)線.

［1］ Mastorakos E，Baritaud T A，Poinsot T J. Numerical simulations of auto－ignition in turbulent mixing flows［J］.Combustion and Flame，1997，109：198.

［2］ Mastorakos E，Bilger R W.Second－order conditional moment closure for the auto－ignition of turbulent flows［J］.Physical Fluids，1998，10：1246.

［3］ Wu Z J，Deng J，Li L G.Study on characteristics of controllable active thermo－atmosphere of a vitiated co－flow combustor［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50（7）：704.

［4］ 鄧俊，吳志軍，李理光.可控活化熱氛圍燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（2）：307.DENG Jun，WU Zhijun，LI Liguang.Development of experimental system of novel controllable active thermoatmosphere combustor［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2007，37（2）：307.

［5］ Ricardo C.Turbulent jet flames into a vitiated coflow［D］.Berkeley：Department of Mechanical Engineering University of California，Berkeley，2003.

［6］ Cabra R，Myhrvold T，Dibble R W，et al.Simultaneous laser raman－rayleigh－LIF measurements and numerical modeling results of a lifted turbulent H2／N2 jet flame in a vitiated coflow［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2002，29：1881.

［7］ Wu Z J，Starner S H，Bilger R W.Lift－off heights of turbulent H2／N2jet flames in a vitiated co－flow［C］／／2003 Australian Flames Days.Melbourne：［s.n.］，2003：142－147.

［8］ Masril A R，Cao R，Pope S B，et al.PDF calculations of turbulent lifted flames of H2／N2fuel issuing into a vitiated co－flow［J］.Combustion Theory and Modelling，2004，8：1.

［9］ Mastorakos E，Markides C，Wright Y M.Hydrogen auto－ignition in a turbulent duct flow：experiments and modelling［C］／／The 12th International Conference on Fluid Flow Technologies.Budapest：［s.n.］，2003：56－62.

［10］ Wang H F，Chen Y L.A PDF simulation of the lifted turbulent H2／N2jet flame［J］.Chinese Journal of Computational Physics，2006，23（1）：73.

［11］ 馮威，吳志軍，鄧俊，等.可控活化熱氛圍燃燒器溫度場(chǎng)的模擬研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（3）：513.FENG Wei，WU Zhijun，DENG Jun，et al.Numerical simulation of temperature field in controllable combustor［J］.Journal of Jilin University：Engineering and Technology Edition，2007，37（3）：513.

［12］ Feng W，Deng J，WU Z J，et al.A simulation of the flow field of a controllable active thermo－atmosphere combustor［C］／／Proceedins of the 2nd International Symposium on Clean and High－Efficiency Combustion in Engines.Tianjin：［s.n.］，2006：19－25.

［13］ 鄧俊，吳志軍，馮威，等.活化熱氛圍下柴油噴霧燃燒特性試驗(yàn)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（3）：384.DENG Jun，WU Zhijun，F(xiàn)ENG Wei，et al.An experimental study of diesel spray combustion characteristics in active thermoatmosphere［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University：Natural Science Edition，2007（3）：384.

［14］ 鄧俊，可控?zé)岱諊虏裼蛧婌F自燃及燃燒特性的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2007.DENG Jun.Diesel spray autoignition and combustion characteristics in a controllable thermo－atmosphere［D］.Shanghai：School of Mechanic and Power Engineering of Shanghai Jiaotong University，2007.

［15］ Bilger R W.Turbulent jet diffusion flames［J］.Progress in Energy and Combustion Science，1976，1（2／3）：87.