趙健福, 周 磊, 鐘力嘉, 衛(wèi)海橋

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室, 天津 300072)

0 引 言

發(fā)動機小型強化技術(shù)被認為是最有前途的點燃式(Spark Ignition，SI)發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)措施之一[1]。然而，小型強化SI發(fā)動機熱負荷的增加，導(dǎo)致在其燃燒過程中更容易發(fā)生爆震(Knock)[2]、超級爆震(Super- Knock)[3- 4]等不正常燃燒現(xiàn)象，限制了小型強化SI發(fā)動機熱效率進一步提升。目前爆震產(chǎn)生的機理尚不明確，末端氣體自燃理論由于很好地解釋了光學(xué)實驗的結(jié)果而得到廣泛的認可。B?uerle[5]采用激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence，LIF)的方法檢測到內(nèi)燃機末端氣體的熱點自燃并提出熱點的自燃分為誘發(fā)、起燃和傳播3個階段。Kawahara[6]在氫氣燃料壓縮膨脹機上通過高速攝像方法觀測到爆震過程中的自燃和壓力波，并提出爆震強度與末端氣體數(shù)量相關(guān)。與此不同，超級爆震是由“熱點”(Hot spot)先于火花點火自燃誘發(fā)的異常燃燒現(xiàn)象。Zahdeh[7]與Zaccardi[8]等通過內(nèi)窺鏡觀測到了燃燒室內(nèi)先于火花點火形成的“熱點”，并根據(jù)形成位置及分布排除了排氣門及火花塞電極等高溫表面點火的可能。潤滑油被認為是形成低速早燃“熱點”的可能物質(zhì)之一，被稀釋后的潤滑油通過活塞環(huán)岸積累并竄入到燃燒室內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)和氧化，最終在火花點火之前發(fā)生自燃[9]，自燃后產(chǎn)生的火焰和壓力突變在傳播過程中誘導(dǎo)末端未燃混合氣再次發(fā)生自燃，并產(chǎn)生具有強壓力間斷的爆轟波[10- 11]，引發(fā)燃燒峰值壓力高達30MPa、壓力振蕩幅值超過20MPa的超級爆震[12]。綜上所述，無論是常規(guī)爆震還是超級爆震，本質(zhì)特征都是未燃混合氣發(fā)生自燃，自燃后的湍流火焰- 壓力波相互作用最終導(dǎo)致了劇烈的壓力振蕩。對湍流火焰- 壓力波相互作用的相關(guān)研究是揭示爆震、超級爆震等非正常燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生機理的關(guān)鍵。

從壓力波的產(chǎn)生機理來看，湍流火焰在傳播過程中不斷加速，壓縮前方未燃混合氣形成壓縮波，最終壓縮波互相疊加形成強壓力間斷面。因此，研究火焰加速產(chǎn)生壓力波的過程是火焰- 壓力波相互作用研究的基礎(chǔ)性前提。近年來,相關(guān)學(xué)者從實驗、理論和數(shù)值模擬等角度出發(fā)，開展了大量有關(guān)火焰加速過程及其機理的研究，其中光滑管和阻塞管均有所涉及[13- 23]。Shchelkin等[24]首次對光滑管內(nèi)的火焰加速做出解釋，指出已燃氣體的熱膨脹在未燃混合氣中產(chǎn)生了流動并形成湍流，流動的不均勻又進一步造成火焰表面褶皺進而導(dǎo)致火焰加速。在此基礎(chǔ)上，Zeldovich等[25]進一步展開對光滑管內(nèi)火焰加速過程的探究，提出火焰鋒面與上游不均勻的速度場相互作用導(dǎo)致火焰鋒面延展，這是導(dǎo)致火焰加速的主要原因，而湍流在火焰加速過程中只起到次要作用。根據(jù)Ciccarelli和Dorofeev[13]對火焰加速過程的綜述研究，層流火焰的光滑表面在發(fā)展過程中會受到水力學(xué)不穩(wěn)定性(Darrieus- Landau instability)和熱擴散不穩(wěn)定性(Thermal- Diffusion instability)的作用而產(chǎn)生褶皺，進而導(dǎo)致胞狀火焰的形成，增加火焰表面積。相比于光滑管而言，阻塞管中所設(shè)立的障礙物能在更大程度上促進湍流的形成和實現(xiàn)火焰加速[26- 31]。Bychkov等[32]提出由于障礙物的存在，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中會產(chǎn)生射流，射流會驅(qū)使火焰不斷加速。Petchenko等[33]基于障礙物封閉管道對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在強烈的Rayleigh- Taylor不穩(wěn)定性作用下，聲波/壓力波的波動會使火焰鋒面產(chǎn)生很大程度的褶皺。除了Kelvin- Helmholtz不穩(wěn)定性對火焰- 壓力波相互作用有影響之外，Richtmyer- Meshkov不穩(wěn)定性也會使火焰- 壓力波相互作用對火焰鋒面產(chǎn)生擾動并提高能量釋放率[34]。肖華華等[35- 36]發(fā)現(xiàn)火焰在傳播過程中會與側(cè)壁面作用產(chǎn)生壓力波，火焰與壓力波或聲波的相互作用會導(dǎo)致火焰鋒面周期性振蕩以及形成不同的火焰結(jié)構(gòu)。

上述研究從探究火焰加速機理的角度出發(fā)，揭示了火焰加速的本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者對火焰加速過程的影響因素進行了探究，指出在不同發(fā)展階段火焰加速的影響因素也有所不同。Johansen等[19]指出在阻塞管內(nèi)火焰發(fā)展的初始階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诜磻?yīng)物聲速時，火焰加速強度與障礙物的阻塞比表現(xiàn)出強烈的相關(guān)性。在這一階段，阻塞比的增大會導(dǎo)致湍流更加強烈，火焰表面積增大也會使體積燃燒速率升高，從而促進火焰加速。Ciccarelli等[13]則提出隨著火焰繼續(xù)向前發(fā)展，火焰加速后期主要受到火焰- 壓力波相互作用的影響，這一相互作用過程引發(fā)了Richtmyer- Meshkov不穩(wěn)定性并伴隨有氣流收縮，造成火焰焰舌速度的波動。Valiev等[37]在研究中指出氣體壓縮作用也會降低火焰加速速率以及火焰焰舌速度峰值，在燃燒的早期階段抑制了指狀火焰的加速過程。他們還指出粘度、湍流以及障礙物幾何結(jié)構(gòu)也是影響火焰加速的重要因素。然而,目前火焰過障礙物加速的機理仍不完善，氣流在火焰加速過程中的作用仍值得深入探討。

本文基于自主設(shè)計的定容燃燒彈，采用高速紋影技術(shù)捕捉火焰過孔板加速的全過程，探索火焰過孔板加速的機理；通過三維數(shù)值模擬方法，研究氣流在火焰加速過程中的作用。此外，通過對實驗和模擬結(jié)果對比，討論了初始壓力對火焰過孔板加速的影響。

1 實驗裝置及仿真方法

1.1 光學(xué)定容燃燒彈實驗平臺

整個實驗系統(tǒng)包括定容燃燒彈本體、高速紋影攝像系統(tǒng)、燃燒壓力采集系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、高壓點火系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)，如圖1所示。定容燃燒彈的燃燒室為圓柱形的腔體，長度230mm，直徑100mm，容積2.32 L，彈體可承受極限壓力為10MPa。在燃燒室的前后壁面分別安裝直徑80mm的圓形石英玻璃視窗。孔板為3mm厚的鋼板，表面分布有不同孔徑的圓孔。Kistler 6113B型缸壓傳感器安裝于燃燒室上壁面，缸壓采集頻率為70 000Hz。Z字型布置的高速紋影系統(tǒng)用于捕捉火焰和沖擊波，高速相機的采樣頻率最高為210 000幀/s。但是，相機的采樣頻率越高，采樣區(qū)域越小，為捕捉火焰過孔板加速的全過程，本次研究采用的采樣頻率為90 000幀/s。定容燃燒彈的上下壁面分別安裝有1000W的加熱板，使整個彈體加熱到373K，防止燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣冷凝成液滴，影響相機拍攝。

圖1 實現(xiàn)火焰- 沖擊波相互作用的可視化定容燃燒彈

Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetupfortheobservationofflameacceleration

本研究選用化學(xué)當(dāng)量比的氫氣- 空氣混合氣作為測試燃料，并通過道爾頓分壓定律確定氫氣和空氣的配比。實驗開始前先將燃燒室抽真空，之后依次充入氫氣和空氣，待靜止2min后，同步觸發(fā)點火、圖像和缸壓采集。實驗條件如表1所示。

1.2 CFD仿真方法與驗證

使用美國Converge Science 公司開發(fā)的計算流體力學(xué)軟件Converge進行定容燃燒彈三維模型計算，如圖2所示。本模型使用的網(wǎng)格初始邊長為4mm。模擬過程中，點火區(qū)域在0～1ms的過程中經(jīng)過了4層16倍的固定加密；點火階段，火焰前鋒的網(wǎng)格邊長為0.125mm。在孔板及其左右3mm, 也進行了4層16倍的固定加密。 此外，在整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中，根據(jù)當(dāng)?shù)販囟群虷2、OH濃度對當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格進行了最大4層16倍的動態(tài)自適應(yīng)加密(Adaptive Mesh Refinement，AMR)。此舉可以保證火焰在層流傳播、射流傳播以及湍流傳播3個階段的鋒前網(wǎng)格尺寸為0.250mm。最后的結(jié)果顯示，在燃燒過程中，整個模型網(wǎng)格的數(shù)量在600～1000萬之間,時間步長在1×10- 8～1×10- 6s之間。

表1 實驗條件Table 1 Test conditions

圖2 定容燃燒彈幾何模型

考慮到實際所用定容彈的主體結(jié)構(gòu)為圓柱體，為減小模擬復(fù)雜度，使用三維建模軟件Pro/E所搭建的圓柱模型近似模擬實驗所用的定容彈彈體(如圖2所示)，其總長230mm，直徑100mm。孔板的模擬也依據(jù)實驗中所用孔板完成，在圖2中用斷面處的小圓柱體表示。對于不同孔徑和不同位置的孔板，表現(xiàn)為模型中斷處小圓柱體的個數(shù)及直徑有所不同，到壁面的距離也有所改變。通過在UDF里添加監(jiān)測點來實現(xiàn)對壓力的監(jiān)測。模擬中，監(jiān)測點的位置與實驗臺架壓力傳感器的位置保持一致并緊貼壁面。模擬火焰在定容燃燒彈中加速時，為了更好地模擬壁面散熱，采用了O′Rourke和Amsden模型，該模型能準確地模擬出熱量經(jīng)壁面?zhèn)鞑ドl(fā)的物理過程。由于燃燒進行的速度很快，壁面散熱對燃燒造成的影響較小，所以壁面采用恒溫模型。此外，本研究中采用大渦模擬(Large Eddy Simulation，LES)方法，即對大尺度渦團直接進行求解，對小尺度渦團則先建立亞網(wǎng)格模型再求解。在Converge三維數(shù)值模擬方法中，有2種亞網(wǎng)格模型，分別是零方程模型和一方程模型。零方程模型對于射流、混合層、邊界層等的流動比較簡單有效，但是其忽略了對流和擴散的影響，而一方程模型則彌補了這一缺點。本研究中選用了由Yoshizawa[38]和Menon[39]提出的一方程粘性模型。

燃燒模型方面，湍流火焰燃燒通過G方程來捕捉，其中層流火焰速度通過Gülder方程預(yù)測。本文采用將G方程和詳細化學(xué)反應(yīng)機理模型SAGE結(jié)合的方法來模擬火焰?zhèn)鞑?。使用G方程判定火焰面位置，并用化學(xué)平衡法計算火焰面處的反應(yīng)，而在火焰內(nèi)部和外部采用SAGE求解詳細化學(xué)反應(yīng)機理。其中，SAGE采用CVODES方法(求解常微分方程的初始值問題)求解給定的化學(xué)反應(yīng)機理中每一個單元反應(yīng)的反應(yīng)速率，并與輸運方程相耦合，可模擬寬泛的燃燒狀態(tài)，包括點火、預(yù)混燃燒和非層流燃燒。需要注意的是，采用CVODES方法時，模型的求解精度與化學(xué)反應(yīng)機理直接相關(guān)。在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理方面，采用了包含5元素10組分21反應(yīng)的詳細反應(yīng)機理。其中5個元素為C、 H、 O、 N、 Ar，10個組分為： H、 H2、 O、 O2、 OH、 H2O、 N2、 HO2、 H2O2、 Ar。

內(nèi)燃機缸內(nèi)流體運動數(shù)值的模擬由質(zhì)量、動量和能量守恒方程以及組分輸運方程控制，控制方程如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，u是速度，ρ是密度，S是源項，p是壓力，σij為粘性應(yīng)力張量，Ym是組分m的質(zhì)量分數(shù)，D是質(zhì)量擴散系數(shù)，e是比內(nèi)能，K是導(dǎo)熱率，hm是組分m的焓值，T是溫度。

2 火焰過孔板加速

2.1 火焰過孔板加速過程

圖3(a)為初始壓力0.2MPa、孔板孔徑2mm下火焰過孔板過程的一系列紋影圖片；圖3(b)為孔板孔徑2 mm、初始壓力0.1、0.2和0.3MPa下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓€。如圖3(a)所示，本文中火焰?zhèn)鞑ニ俣仁腔诨鹧媲颁h位移對時間的微分計算所得。

如圖3所示，依據(jù)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與速度，將封閉空間中火焰過孔板的加速過程分為3個階段：層流火焰階段、射流火焰階段和湍流火焰階段。

(a)

(b)

Fig.3(a)Chronologicalschlierenimagesofflameaccelerationpassingthroughtheperforatedplate; (b)Evolutionoftheflametipvelocity

層流火焰階段：在火花塞跳火之后，火焰呈球狀向前傳播，表面光滑。此后，由于受到水力學(xué)不穩(wěn)定性和熱擴散不穩(wěn)定性的影響，光滑的球形層流火焰表面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)[7]。在層流火焰階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，約為20m/s左右，表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢。在火焰發(fā)展初期，由于出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致火焰鋒面面積增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷晕⒃黾?。值得注意的是，本次實驗采用化學(xué)當(dāng)量比的氫氣- 空氣混合氣，其Effective Lewis Number約為1，因此在層流火焰發(fā)展過程中，水力學(xué)不穩(wěn)定性的作用會大于熱擴散不穩(wěn)定性。后期火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆凳怯捎谌紵蛎浟鲌鍪艿娇装遄璧K作用的結(jié)果。如圖3(b)所示，對比不同初始壓力下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，發(fā)現(xiàn)在層流燃燒階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c初始壓力呈負相關(guān)。

射流燃燒階段：在2.611ms，層流火焰穿過孔板并被孔板分割成數(shù)股射流火焰。過孔板后，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆購?6m/s上升至100m/s，增加約一個數(shù)量級。隨著射流火焰的發(fā)展，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M一步升高，直至在距離火花塞約40mm處達到某一速度峰值，此后火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始急劇下降。火焰過障礙物加速一直是一個熱點問題，并得到了廣泛研究。根據(jù)Bychkov的理論，在火焰過孔板加速的過程中，膨脹流場過孔板產(chǎn)生的射流驅(qū)動了火焰的加速。在過孔板前，膨脹流場沿火焰鋒面法向向四周傳播，當(dāng)氣流穿過孔板之后，其傳播方向匯聚為一(與燃燒室軸線方向平行)，進而形成一股速度極高的強射流?；鹧媸艿皆搹娚淞鞯尿?qū)動，傳播速度急劇增加。穿過孔板后，層流火焰被孔板分割成多束細小的火焰，使得火焰表面積增加，化學(xué)反應(yīng)速率加快；此外，當(dāng)火焰在障礙物空間傳播時，Rayleigh- Taylor不穩(wěn)定性和Kelvin- Helmholtz不穩(wěn)定性誘導(dǎo)了湍流的產(chǎn)生，使得火焰表面褶皺更加劇烈，表面分裂為更小的胞狀結(jié)構(gòu)，進一步促進燃燒速率的加快[20, 40]。

湍流火焰階段：在2.767ms，多股射流火焰匯聚成一束湍流火焰，并在自加速機理的影響下，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u升高。如圖3(b)所示，過孔板之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始壓力的增加而升高，與Chaudhuri等[41]對預(yù)混火焰爆炸的研究結(jié)果一致。

2.2 火焰過孔板加速過程中的流場分析

本研究中高速紋影攝像技術(shù)只能識別并拍攝密度梯度較大的射流現(xiàn)象，而無法拍攝到整個燃燒室內(nèi)的其他流動。因此，為了獲得更多關(guān)于氣流速度的信息，通過三維數(shù)值模擬對火焰過孔板過程中火焰和氣流的傳播展開探究。

圖4(a)和(b)分別為溫度和速度的分布云圖；圖4(c)所示則為燃燒室中心線上溫度及速度的變化曲線。以火花塞為起點延長120mm作為研究范圍，依據(jù)火焰過孔板加速過程選擇5個時刻展開分析，分別為1.551、1.851、2.300、2.475和2.625ms。圖4(a)中，依據(jù)溫度變化可以看出紅色部分即為火焰。如圖4(b)所示，由于孔板的節(jié)流作用，可以明顯觀察到孔板后產(chǎn)生了強烈的射流現(xiàn)象。如圖4(c)所示，在1.551和1.851ms時刻，從溫度變化曲線可以看出火焰尚未穿過孔板，而在孔板附近可以觀察到明顯的氣流速度峰值，表明此時射流已經(jīng)產(chǎn)生，并驅(qū)使火焰過孔板加速；在2.300、2.475和2.625ms時刻，火焰穿過孔板且火焰鋒面超過射流，此時可以觀察到火焰鋒前的氣流速度隨著與火焰鋒面距離的增加而降低，表明該階段下火焰不再受射流的驅(qū)動，相反，未燃區(qū)的氣體流動是在火焰鋒面的推動下而運動的。

(c)

圖4 初始壓力0.3MPa下火焰過孔板加速過程中的(a) 溫度分布；(b) 流場分布; (c) 速度分布

Fig.4Distributionof(a)temperature, (b)flowand(c)velocitywhenflamepassesthroughtheperforatedplateunderinitialpressureof0.3MPa

火焰在燃燒室中的加速傳播是不同因素綜合影響下的結(jié)果。強烈的射流驅(qū)使火焰過孔板加速，而當(dāng)射流火焰超過射流時，氣體動力學(xué)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憚t不再占據(jù)主導(dǎo)地位，此時湍流燃燒理論對火焰?zhèn)鞑テ鹬饕饔谩Ｍ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑艿交鹧? 聲波/壓力波相互作用、Richtmyer- Meshkov不穩(wěn)定性和湍流自加速的影響。根據(jù)湍流燃燒理論，當(dāng)火焰與聲波/壓力波發(fā)生相互作用時，在Richtmyer- Meshkov不穩(wěn)定性的作用下火焰表面積增加，促進了湍流火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

按照圖4的處理方法，繪制初始壓力0.1和0.5MPa下燃燒室軸線上的溫度和速度變化情況，如圖5所示。分析0.1和0.5MPa下的速度分布情況，可以得到與0.3MPa下相同的結(jié)論。在火焰未穿過孔板之前，可以觀察到孔板附近有較高速度的強射流存在；當(dāng)火焰接近孔板時，在該強射流的驅(qū)動下，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲≡黾印６?dāng)火焰穿過孔板之后，可以觀察到未燃氣體區(qū)域的流場是在火焰的推動下而運動的，射流對火焰發(fā)展不再起作用?？v向?qū)Ρ?.1、0.3和0.5MPa的情況，可以發(fā)現(xiàn)燃燒溫度隨著初始壓力的升高而略有升高，同樣的，過孔板之后火焰鋒面的傳播速度也隨著初始壓力的升高而增加。有意思的是，在0.1MPa下發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰過孔板之后，已燃氣體區(qū)域的速度遠高于火焰鋒面處的速度，而在0.3和0.5MPa下，已燃區(qū)的速度在靠近鋒面時已經(jīng)開始衰減，火焰鋒面處的速度是整個燃燒室中的最高速度。

(a) 0.1MPa

(b) 0.5MPa

Fig.5Distributionoftemperatureandvelocityunderinitialpressureof0.1and0.5MPa

3 不同初始壓力下火焰過孔板加速實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖6所示為初始壓力分別為0.1、0.3和0.5MPa下封閉空間中火焰加速過程的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，其中彩色圖片代表實驗結(jié)果，黑白圖片表示數(shù)值模擬結(jié)果。如圖6所示，第一排是過孔板前層流階段的火焰?zhèn)鞑Ρ葓D，第二排是過孔板后射流和湍流階段的火焰?zhèn)鞑Ρ葓D。需要指出的是，圖6中所標(biāo)注的時間為分別將層流和湍流階段的第一張圖片作為起始時刻下的相對時間。將實驗與數(shù)值模擬的火焰?zhèn)鞑D片截取為相同的尺寸并保證孔板位置對齊，確?；鹧驿h面位置進行對比時的準確性。

(a) 0.1MPa

(b) 0.3MPa

(c) 0.5MPa

圖6 初始壓力0.1、0.3和0.5MPa下火焰過孔板加速的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果 (彩色圖片為實驗結(jié)果，黑白圖片為數(shù)值模擬結(jié)果)

Fig.6Comparisonofcombustionevolutionbetweenexperimentandsimulationunderinitialpressureof0.1,0.3and0.5MPa

對比實驗與數(shù)值模擬的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著初始壓力由低到高，火焰在過孔板前后的發(fā)展趨勢、結(jié)構(gòu)形態(tài)和傳播速度上均呈現(xiàn)出高度的一致性。就火焰的發(fā)展趨勢而言，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，表現(xiàn)為層流火焰、射流火焰和湍流火焰3個發(fā)展階段。就結(jié)構(gòu)形態(tài)而言，過孔板前的層流火焰階段，火焰表面呈現(xiàn)出球型結(jié)構(gòu)，并在靠近孔板時受到射流的影響在火焰鋒面最前方形成了一種近似毛細現(xiàn)象的突起。觀察實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在層流燃燒階段火焰表面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，這是火焰受水力學(xué)不穩(wěn)定性和熱擴散不穩(wěn)定性的作用而產(chǎn)生的[7]。而在模擬圖片中則未觀察到該現(xiàn)象，這是因為目前使用的LES方法無法對如此小尺度的結(jié)構(gòu)做到精確的模擬，而繼續(xù)細化網(wǎng)格在LES中對于模擬胞狀結(jié)構(gòu)而言收益較小。如果需要模擬出這種微觀結(jié)構(gòu)，直接數(shù)值模擬DNS是一種更好的選擇。射流和湍流火焰階段，球形層流火焰鋒面最前方首先穿過孔板形成1束射流火焰，隨著火焰向前發(fā)展，考慮到不同初始壓力下孔板孔徑均為5mm，孔板上孔數(shù)及孔的分布是固定的，因此可以看到不同初始壓力下均形成3束射流火焰并最終發(fā)展合并為湍流火焰。注意到在湍流火焰階段，數(shù)值模擬圖片中可以明顯觀察到火焰表面出現(xiàn)褶皺，盡管與實驗結(jié)果相比褶皺程度較低。就火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?，可以發(fā)現(xiàn)無論是層流還是湍流階段，在經(jīng)過相同或相近的時間間隔之后實驗和數(shù)值模擬圖片中的火焰鋒面位置仍能保持接近，誤差不到5%，考慮到數(shù)值模擬時許多參數(shù)設(shè)置的局限性，可認為此誤差在正常范圍內(nèi)。這說明本次模擬的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c實驗結(jié)果呈現(xiàn)出較高的一致性。

圖7所示為初始壓力分別為0.1、0.3和0.5MPa下封閉空間中火焰加速過程的實驗與數(shù)值模擬的速度曲線，其中黑色曲線表示實驗得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋t色曲線表示數(shù)值模擬的火焰?zhèn)鞑ニ俣??？梢钥闯觯诓煌某跏級毫ο?，實驗與數(shù)值模擬的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€在發(fā)展趨勢和數(shù)值上都呈現(xiàn)出較高的一致性。

在層流火焰階段，無論是哪一初始壓力，實驗和數(shù)值模擬的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍跀?shù)值和發(fā)展趨勢上都極為接近，前期均表現(xiàn)為上升趨勢，靠近孔板時受到孔板的阻礙作用開始下降。初始壓力為0.3MPa下，火焰過孔板后表現(xiàn)出“V”字型的變化趨勢，初始壓力為0.1和0.5MPa下的火焰過孔板后則表現(xiàn)出“S”型變化趨勢。在火焰速度達到峰值之后，由于射流作用減弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?；其后射流火焰發(fā)展為湍流火焰后由于湍流火焰的自加速作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅伪憩F(xiàn)出上升趨勢。最后由于火焰和壓力波/壓縮波的相互作用傳播速度開始下降。

(a) 0.1MPa

(b) 0.3MPa

(c) 0.5MPa

圖7 初始壓力0.1、0.3和0.5MPa 下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灪蛿?shù)值模擬結(jié)果

Fig.7Comparisonofflametipvelocitybetweenexperimentandsimulationunderinitialpressureof0.1,0.3,0.5MPa

對不同的初始壓力橫向比較可以發(fā)現(xiàn)，射流階段的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔町愝^小，火焰穿過孔板后其傳播速度從15m/s左右上升至60m/s左右；湍流階段的火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t表現(xiàn)出明顯的差異：0.1MPa下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯导s為70m/s，0.3MPa下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯导s為90m/s，0.5MPa下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯导s為110m/s。

圖8所示為初始壓力分別為0.1、0.3和0.5MPa下封閉空間中火焰加速過程的缸壓曲線，其中黑色曲線表示實驗的壓力數(shù)據(jù)，紅色曲線表示數(shù)值模擬的壓力數(shù)據(jù)。需要指出的是，由于工作站計算能力有限，計算至壓力峰值出現(xiàn)的時刻所需時間過長，因此本次模擬僅給出部分壓力曲線。從圖中可以看出，壓力開始上升的時刻和壓力上升的趨勢在實驗和數(shù)值模擬之間表現(xiàn)出較高的相似性。初始壓力為0.1MPa下實驗和數(shù)值模擬壓力開始上升的時刻約為2.72ms；初始壓力為0.3MPa下實驗和數(shù)值模擬壓力開始上升的時刻約為2.56ms；初始壓力為0.5MPa下實驗和數(shù)值模擬壓力開始上升的時刻約為2.30ms?？梢钥闯觯S著初始壓力的提高，壓力上升的時刻隨之提前。比較不同初始壓力下的情況，初始壓力為0.1和0.5MPa下實驗與數(shù)值模擬的壓力曲線吻合度較高，初始壓力為0.3MPa下實驗與數(shù)值模擬的壓力曲線則表現(xiàn)出一定的差異，但總體趨勢仍保持一致。

(a) 0.1MPa

(b) 0.3MPa

(c) 0.5MPa

圖8 初始壓力0.1、0.3和0.5MPa 下的缸內(nèi)壓力實驗和模擬結(jié)果對比

Fig.8Comparisonofpressurebetweenexperimentandsimulationunderinitialpressureof0.1,0.3and0.5MPa

受限于工作站計算能力，模擬計算的缸壓未能表現(xiàn)整個燃燒過程，因此對不同初始壓力下的實驗結(jié)果進行對比。圖9為不同初始壓力下，缸內(nèi)壓力及其對應(yīng)的高通濾波壓力(帶寬為4kHz)隨時間的變化曲線，其中黑色曲線表示缸內(nèi)壓力曲線，紅色曲線表示濾波壓力曲線，MAPO為最大壓力振蕩幅值。如圖所示，初始壓力為0.5MPa時對應(yīng)的缸內(nèi)壓力峰值為2.45MPa，高于初始壓力為0.3MPa下的1.37MPa和初始壓力為0.1MPa下的0.40MPa的壓力峰值。初始壓力為0.5MPa時對應(yīng)的缸內(nèi)最大振蕩幅值為0.07 MPa，同樣高于其他2個初始壓力。不難發(fā)現(xiàn)，無論是缸內(nèi)壓力峰值還是缸內(nèi)壓力的振蕩幅度，都隨著初始壓力的升高而升高。這是因為湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始壓力的升高而升高，進而對末端未燃氣體產(chǎn)生強壓縮作用，形成較強的壓力波。

(a) 0.1MPa

(b) 0.3MPa

(c) 0.4MPa

圖9 初始壓力0.1、0.3和0.5MPa下的缸內(nèi)壓力和壓力振蕩

Fig.9Experimentalresultsofpressureandpressureoscillationunderinitialpressureof0.1,0.3and0.5MPa

4 結(jié) 論

基于自主設(shè)計的定容燃燒彈和Converge三維數(shù)值模擬方法，對封閉空間中火焰過孔板加速機理及影響因素開展了研究，并討論了不同初始壓力對火焰過孔板加速過程的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 依據(jù)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與速度，將封閉空間中火焰過孔板的加速過程分為3個階段：層流火焰階段、射流火焰階段和湍流火焰階段。在過孔板前的層流火焰階段，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先上升后下降的發(fā)展趨勢：在火焰發(fā)展初期，由于受到水力學(xué)不穩(wěn)定性和熱擴散不穩(wěn)定性的影響，火焰表面誘導(dǎo)出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致火焰鋒面面積增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷晕⒃黾?。后期火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆凳怯捎谌紵蛎浟鲌鍪艿娇装遄璧K作用的結(jié)果。此后，層流火焰穿過孔板并被孔板分割成數(shù)股射流火焰，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲≡黾蛹s一個數(shù)量級。一方面，膨脹流場過孔板產(chǎn)生的強射流驅(qū)動了火焰的加速；另一方面，火焰在障礙物空間傳播時，Rayleigh- Taylor不穩(wěn)定性和Kelvin- Helmholtz不穩(wěn)定性使得火焰表面褶皺更加劇烈，表面分裂為更小的胞狀結(jié)構(gòu)，促進燃燒速率加快。最后，多股射流火焰匯聚成一束湍流火焰，并在自加速機理的影響下火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u升高。

(2) 通過數(shù)值模擬獲取了火焰過孔板過程中的流場變化情況，發(fā)現(xiàn)在火焰未達到孔板前，孔板附近存在速度較高的流場(強射流);當(dāng)火焰接近孔板時，在該射流的驅(qū)動下，火焰穿過孔板后速度急速上升。然而當(dāng)穿過孔板之后，火焰鋒面前的未燃氣體區(qū)域的流場速度沿著遠離火焰的方向逐漸下降，表明在該階段射流對火焰發(fā)展不再起主導(dǎo)作用，相反地，火焰開始驅(qū)動前方的未燃氣體運動。

(3) 對不同初始壓力下的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊哪M結(jié)果不論從絕對值還是發(fā)展趨勢方面都能很好地吻合實驗結(jié)果，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性?？v向?qū)Ρ炔煌瑝毫ο碌幕鹧孢^孔板過程，發(fā)現(xiàn)隨著初始壓力的提高，孔板前的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷晕⒔档?，而孔板后的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著初始壓力的提高而升高，進而誘導(dǎo)較高強度的壓力波，導(dǎo)致較高的缸內(nèi)壓力和壓力振蕩。