設(shè)計(jì)·研究汽車科技第3期2011年5月doi:10.3969issn1005-2550201103003基于P的天氣燃邊性研兗王凱楠,侯獻(xiàn)軍,閆少杰,余其旺,徐楠楠(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,武漢430070)摘要:通過控制變量設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,研究定容燃燒彈內(nèi)的預(yù)混燃燒特性以及火花塞數(shù)量和布置方式對天然氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ再|(zhì)的影響。利用 Fluent軟件對各方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明天然氣預(yù)混燃燒速率比汽油小,采用雙火花塞布置可有效提高燃燒速率緩解天然氣發(fā)動機(jī)動力性不足,為天然氣速燃技術(shù)的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)關(guān)鍵詞:天然氣;雙火花塞;定容燃燒彈; Fluent中圖分類號:TQ1532獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1005-25502011)03-0012-03Study of Combustion Characteristics of Natural Gas Based on Fluentai-nan, HOU Xian-jun, YAN Shao-jie, YU Qi-wang, XU Nan-nan(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)Abstract: This article introduces design schemes for the research on the premixed combustion in the constant volume bomb and influ-ences on flame propagation of natural gas due to the layout of spark plug. With the CFD simulation calculation based on Fluent, it seerming rate of gasoline is faster than natural gas, and dual spark plugs can make fast combustion of natural gas, whichvide a theoretical method to solve the bad performance of power for CNG enginesKey Words: natural gas dual spark plugs: constant volume bomb; Fluent天然氣作為清潔燃料,相比汽油、柴油等傳統(tǒng)燃不同條件下燃料的燃燒特性,如表1所示。其中料,具有經(jīng)濟(jì)性好、排放性能優(yōu)越等特點(diǎn),在內(nèi)燃機(jī)方案1與方案2均采用單火花點(diǎn)火方式,用以比領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但天然氣著火溫度高,燃燒期較天然氣和汽油混合氣的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?方案1長,相同當(dāng)量比層流火焰?zhèn)鞑ニ俾时绕突旌蠚庖c方案3則分別采用單火花塞和雙火花塞布置低12%左右叫,這是造成天然氣發(fā)動機(jī)動力性不足比較單雙火花塞對于火焰?zhèn)鞑ズ腿紵俾实挠暗闹饕蛑?。采用雙火花塞可提高點(diǎn)火能量,增響,方案3、方案4和方案5以火花塞間距作為大初始火焰鋒面面積,有效提高燃燒速率,緩解天然控制變量,研究雙火花塞的布置對于燃燒過程的氣發(fā)動機(jī)動力性不足的問題影唷。為避免實(shí)際復(fù)雜工作過程及循環(huán)變動對燃燒的表1仿真計(jì)算方案設(shè)計(jì)影響,內(nèi)燃機(jī)的燃燒研究主要在定容燃燒彈中進(jìn)行方案1方案2方案3方案4方案定容燃燒彈可研究活塞上止點(diǎn)附近時(shí)的燃燒2。本使用燃料天然氣汽油天然氣天然氣天然氣文設(shè)計(jì)仿真計(jì)算方案對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ゼ半p火花塞布置方式進(jìn)行研究,利用CFD軟件 Fluent對定容燃燒點(diǎn)火方式單火花單火花雙火花雙火花雙火花點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火彈中燃燒過程進(jìn)行數(shù)值仿真,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分火花塞析,驗(yàn)證雙火花塞的速燃特性。間的幾/mm1方案設(shè)計(jì)與計(jì)算預(yù)處理為縮減計(jì)算量,筆者構(gòu)造100mmx100mm的二維流體區(qū)域模擬定容燃燒彈,火花塞均采用中心筆者根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了5種方案,以比較區(qū)域?qū)ρ赜?jì)古安沿吉徑d=1mm的圓形流中國煤化工計(jì)算區(qū)域進(jìn)收稿日期:2011-0302基金項(xiàng)目:國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金項(xiàng)目(091049727行網(wǎng)格CNMHG基于 Fluent的天然氣燃燒特性研究/王凱楠,侯獻(xiàn)軍,閆少杰等設(shè)計(jì)·研究布。選用理想氣體定律計(jì)算燃燒氣體性質(zhì),并通過調(diào)整燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)將混合氣當(dāng)量比設(shè)為1本文選用PSO算法作為壓力速度耦合方法求解有限差分方程,控制方程離散格式采用二階迎風(fēng)格式,以提高計(jì)算精度。初始條件可采用發(fā)動機(jī)仿真軟件GT- power對某發(fā)動機(jī)壓縮上止點(diǎn)處各項(xiàng)參數(shù)(a)方案1、2()方震3(c)方案4(d方案5的計(jì)算結(jié)果,使用pch對初始條件進(jìn)行修正,將圖1不同方案計(jì)算網(wǎng)格的劃分點(diǎn)火區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)度c設(shè)為1,表征計(jì)算初始該區(qū)已處于反應(yīng)狀態(tài),從而模擬火花塞的工作。2數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法3計(jì)算結(jié)果分析本文對燃燒的瞬態(tài)發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)值模擬,假定燃料與空氣已充分混合,采用預(yù)混燃燒模型。該模型31不同燃料燃燒特性的比較利用火焰鋒面將反應(yīng)的流場分為已燃區(qū)和未燃區(qū),通過求解反應(yīng)進(jìn)度 progress variable控制方程確定流圖2給出了方案1和方案2計(jì)算得出的定容燃場中反應(yīng)量的分布規(guī)律,控制方程的源項(xiàng)即為燃燒過燒彈內(nèi)混合氣反應(yīng)進(jìn)度隨時(shí)間變化數(shù)值分布規(guī)律程的平均反應(yīng)速率 Fluent軟件計(jì)算過程中將該反應(yīng)從圖中可以看出,定容燃燒彈中的混合氣火焰從初速率與火焰的湍流燃燒速率相關(guān)聯(lián)。因此,正確的預(yù)始時(shí)刻開始由點(diǎn)火區(qū)域以球面方式向外傳播,由等測湍流燃燒速率對于預(yù)混燃燒模型十分重要。值區(qū)域分布的疏密程度可知火焰鋒面的大致位置在火焰鋒面?zhèn)鞑サ倪^程中,大渦團(tuán)會引起火焰從而可判斷火焰的傳播。計(jì)算結(jié)果表明,汽油混合氣鋒面的皺折和拉伸,并將反應(yīng)物卷入火焰鋒面,反應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俾时忍烊粴饣旌蠚饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾士臁Ｎ镌谕牧鞒叨葏^(qū)域內(nèi)以層流方式進(jìn)行燃燒,因此湍流燃燒速率的大小主要取決于層流燃燒速率、火焰的拉伸效應(yīng)等因素。層流火焰燃燒速率、反應(yīng)初始的壓回⊙力與溫度有關(guān),可用指數(shù)方程擬合式表示5,即:t=2=4 ms t=6 ms t=8方案1式中,T和P分別為未燃反應(yīng)物的溫度與壓力,T"回·■■(1和P則分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度和壓力;式中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的層流燃燒速率Um可由相關(guān)實(shí)驗(yàn)擬合方案2公式得到6,而指數(shù)參數(shù)項(xiàng)yB可與混合氣當(dāng)量比圖2方案1和方案2的反應(yīng)進(jìn)度分布規(guī)律φ建立關(guān)系式3.2單雙火花點(diǎn)火對平均燃燒速率的影響y=218-0.8(φ-1)(2將方案1、方案2和方案3計(jì)算得到的每個(gè)時(shí)B=-0.6+0.22(中-1)(3)刻定容燃燒彈內(nèi)流場反應(yīng)進(jìn)度數(shù)值分布及壓力場分對于火焰的拉伸效應(yīng), Fluent軟件在計(jì)算過程布分別在計(jì)算區(qū)域內(nèi)取平均值,并分別繪制隨時(shí)間中通過對反應(yīng)進(jìn)度控制方程的源項(xiàng)進(jìn)行增益處理來的變化規(guī)律曲線,如圖3和圖4所示表征,并引入臨界應(yīng)力變化速率,用以計(jì)算拉伸增益由圖3可以看出,燃燒開始初期,定容燃燒彈內(nèi)系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)3提供的經(jīng)驗(yàn)公式,本次仿真計(jì)算方案2的反應(yīng)進(jìn)度增長率高于方案1反應(yīng)進(jìn)度增長中燃燒天然氣時(shí)臨界應(yīng)力變化速率g取8289,燃率,這主要是因?yàn)槠突旌蠚饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾士煊谔鞜蜁r(shí)的臨界應(yīng)力變化速率g取10398。然中國煤化工率可使單位時(shí)間反應(yīng)計(jì)算過程中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-模型:對于產(chǎn)生CNMHG提高壓力升高比,如度的求解采用非絕熱方式,以恒定壁溫作為邊界圖4所示。改用雙火花塞后,由于燃燒初始階段火焰條件,通過求解流場能量控制方程計(jì)算得到溫度分鋒面面積有所增大,混合氣的燃燒反應(yīng)區(qū)域增大,使13設(shè)計(jì)·研究汽車科技第3期2011年5月得定容燃燒彈內(nèi)天然氣混合氣總體燃燒速率在一定示。對比三種方案中反應(yīng)進(jìn)程的分布規(guī)律可分析程度得到提高,導(dǎo)致壓力升高率增大。因此,采用雙火焰?zhèn)鞑ミ^程,初始時(shí)刻由不同位置點(diǎn)火區(qū)域產(chǎn)火花塞布置可在一定程度上緩解天然氣混合氣燃燒生的火焰鋒面隨時(shí)間不斷向外推移,已燃區(qū)體積速率較小所引起的發(fā)動機(jī)動力性不足。逐漸擴(kuò)大并相互作用,當(dāng)兩個(gè)火焰鋒面相碰時(shí),已燃區(qū)會相互融合。當(dāng)點(diǎn)火區(qū)域相距較遠(yuǎn)時(shí),已燃區(qū)方案1融合所需時(shí)間較長,如方案5所示,而當(dāng)點(diǎn)火區(qū)域0000一方案2一方案3相距較近時(shí),已燃區(qū)隨著燃燒的進(jìn)行迅速融合,如方案3所示。4結(jié)論(1)通過控制變量設(shè)計(jì)仿真計(jì)算方案,研究定容燃燒彈內(nèi)的不同燃料與空氣的預(yù)混燃燒特性,采用時(shí)間/mCFD軟件 Fluent對設(shè)計(jì)的各方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,通過流場區(qū)域內(nèi)反應(yīng)進(jìn)度的數(shù)值分布判斷火焰圖3不同方案反應(yīng)進(jìn)度隨時(shí)間的變化規(guī)律的傳播,分析雙火花點(diǎn)火和火花塞布置方式對天然暴方發(fā)1氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ再|(zhì)的影響。一方案2一方案3(2)模擬計(jì)算結(jié)果表明,天然氣預(yù)混燃燒速率比汽油小,在燃嬈室內(nèi)合理布置雙火花塞可增大初始火焰鋒面面積,有效提高燃燒速率,增大壓力升高率,在一定程度上緩解天然氣混合氣燃燒速率較小所引起的發(fā)動機(jī)動力性不足,驗(yàn)證了雙火花塞的速燃特性。時(shí)間/s3模擬仿真分析可減少項(xiàng)目的研發(fā)成本、縮短研究周期,通過對不同方案的計(jì)算分析,為進(jìn)一步的圖4不同方案壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。33雙火花塞布置方式對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懛桨?、方案4和方案5計(jì)算得出的定容燃燒彈內(nèi)混合氣反應(yīng)進(jìn)程隨時(shí)間變化分布規(guī)律如圖5所參考文獻(xiàn)「1〗張衷明,沈國華CNG發(fā)動機(jī)燃燒過程的CFD模擬計(jì)算Jd回·小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007,(10):9-112馬凡華,蔣德明一種可變湍流的定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)裝置門J內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,(1)69-721=6 ms t=8 ms t=l0 ms方發(fā)33. Fluent, Inc. FLUENT 6.3 Lser's Guide 2006[M].2006.5514】解茂昭內(nèi)燃機(jī)計(jì)算燃燒學(xué)[M]大連:大連理工大學(xué)出版社,2005=2m1=4mt=6mst8m10m03s5周龍保內(nèi)燃機(jī)學(xué)M北京機(jī)械工業(yè)出版社,2005方案46]SY Liao, D. MJiang, Q Cheng Determination of laminar bur-BS8■TH中國煤化工3(20041247-1250CNMHG方蒙5圖5方案3、方案4和方案5的反應(yīng)進(jìn)度分布規(guī)律14