高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化.pdf
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1、第 41 卷(2023)第 5 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41(2023)No.5 收稿日期:2022-11-05;修回日期:2023-03-18 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176136).作者简介:雷 艳,博士,副教授,E-mail:.通信作者:雷 艳,博士,副教授,E-mail:.DOI:10.16236/ki.nrjxb.202305052 高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化 雷 艳,王 莹,仇 滔,梁晓杰(北京工业大学 环境与生命学部,北京 100124)摘要:基于 CONVERGE 软件开展三维仿真计算,分析了定容
2、燃烧弹内高压甲烷射流撞击当量比为 1 的预混气体燃烧过程中的涡量变化特征根据射流前锋面与火焰的位置关系,将火焰发展全过程分为射流前峰面未接触火焰阶段、进入火焰阶段和离开火焰阶段 3 个阶段相比于自由射流贯穿速度,在射流进入火焰阶段射流燃烧平均贯穿速度显著增加,并大于自由射流的贯穿速度和预混燃烧速度之和产生此结果的原因是此阶段动量参数涡量的大幅增加;在轴向距离为 40 mm 处、火焰发展时间为 1.6 ms 时,射流燃烧模式平均涡量值与自由射流模式差值最大,约为 260 s-1,是此时此截面预混燃烧模式平均涡量值 6 s-1的 43 倍 关键词:甲烷;定容燃烧弹;射流燃烧;涡量 中图分类号:TK
3、431 文献标志码:A 文章编号:1000-0909(2023)05-0442-08 Vorticity Variation of High-Pressure Methane Jet Impinging on Premixed Flame Lei Yan,Wang Ying,Qiu Tao,Liang Xiaojie(Department of Environment and Life Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:Based on the software CONVERGE,a t
4、hree-dimensional simulation was carried out to analyze the characteristics of vorticity changes during the combustion of premixed gas with a constant volume incendiary bomb when the high-pressure methane jet impinges on the premixed gas with an equivalence ratio of 1.According to the position relati
5、onship between the front surface of the jet and the flame,the whole flame development process is di-vided into three stages:the none-contact frame stage before the jet front meeting the flame,the entering flame stage and the leaving flame stage.Compared with the free jet penetration velocity,the ave
6、rage penetration velocity of jet combustion increases significantly at the stage of jet entering the flame,and is greater than the sum of the free jet penetration velocity and premixed combustion velocity.The reason for this result is that the vorticity of mo-mentum parameter increases greatly at th
7、is stage.At an axial distance of 40 mm with a flame development time of 1.6 ms,the maximum difference between the average vorticity value of jet combustion mode and that of free jet combustion mode is about 260 s-1,which is 43 times of the average vorticity value of premixed combustion mode at this
8、section at this time.Keywords:methane;constant volume incendiary bomb;jet combustion;vorticity 随着日益严格的低碳化要求,清洁代用燃料的应用成为发动机技术研究热点,天然气是十分有前景的内燃机替代燃料1 天然气高压直喷技术可以有效提高发动机热效率并降低排放,天然气高压喷射进入气缸,并被预喷燃料形成的火焰引燃 天然气射流与引燃火焰间的相互作用决定了燃烧过程 因此,研究气体射流冲击火焰有非常重要的实际意义2 在火灾消防领域横掠风对扩散火焰是有影响的,针对环境变量风速,蒋依3以甲醇汽油为试验燃料,了解有风条件
9、下甲醇汽油燃烧发展的全过程,得出风速对火焰倾角、火焰高度和火焰尺寸的影响机制及规律 庄磊4以航空煤油为燃料,进行了 4 种不同直径 2023 年 9 月 雷 艳等:高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化 443 油池的燃烧试验,试验表明:在有风条件下,小直径油池的燃烧速率随风速的增加呈非单调变化 李权威等5在低湍流风洞试验条件下(03.95m/s 的纵向通风环境)对边长为 49cm 的正方形乙醇池火进行燃烧试验,试验表明:油池接受热反馈的量和通风引起的对流蒸发是影响池火燃烧速率的原因 Kuang 等6对交叉流中的池火燃烧速率进行试验,当横流风速较小时,燃烧速率随横流风速单调增大 在航空发动机
10、领域,超燃冲压发动机燃烧室内的燃烧就涉及到射流与已燃火焰的相互作用,其中燃料混合、火焰的稳定等问题都是研究人员感兴趣的领域7 在锅炉燃烧方面,马启磊等8在不同二次风风门开度工况下对一台 600MW 超临界前后墙旋流对冲锅炉进行数值模拟,模拟表明:风门开度越小,炉膛出口 NOx质量分数越大,锅炉燃烧效率下降 宋景慧等9发现在总二次风风量不变情况下,随着燃尽风风量占二次风总风量比例的增大,炉膛出口截面上 NOx排放质量分数逐渐降低 而在内燃机高压直喷领域的不同之处在于气流对火焰是边射流、边混合和边燃烧的模式,学者们对高压射流与火焰之间的关系做出了一系列研究 Li等10研究了不同喷射参数对先导点火直
11、喷天然气发动机性能和燃烧特性的影响,发现可通过延缓和缩短喷射时间、缩短柴油喷射脉冲宽度和增加喷射压力来提高最大放热率 Lei 等11-12开展高压甲烷射流对层流火焰作用的试验,得出了高压甲烷射流一旦冲击预混火焰,火焰环境的压力和温度会改变,并且甲烷喷射时刻与点火时刻的时间间隔不同则火焰的形成演变过程就不同,随着时间间隔的增加,预混层流火焰等效半径增大,这样更能成功地引燃甲烷射流,后以湍流燃烧模式继续发展 王涛13对直喷天然气发动机缸内火焰面发展进行数值模拟研究,得出燃料喷射定时通过影响点火时刻缸内混合气当量比分布情况,来决定缸内火焰传播初期的主导燃烧形式和火焰传播速度,进而影响缸内火焰面面积的
12、增大速度,最终影响发动机整体的燃烧性能 以上研究均表明,气流对火焰的燃烧速率和效率、传播速度及火焰形态均有明显影响 内燃机内喷射条件不同,射流对预混火焰的影响不同,并且均从宏观的角度来分析这一变化,微观上涡量也可用来分析流场中的气体流动 以涡量作为观测量来描述整个流场中的旋涡运动也在多个领域应用14 涡是湍流的一种基本结构,理清涡的形成和研究如何采用可行的控制手段对涡旋起主导作用的流动实施有效控制是重要的15 蒋时泽等16发现半球阵列式涡流发生器与水平线的夹角越大,尾迹区域涡的大小和分布受到前缘区域涡的影响越大 雷越17发现飞机起飞时侧风条件下,来流速度低、离地间隙小的情况下易生成地面涡,其吸
13、入进气道后会造成总压损失 潘卫军等18研究表明,侧风速度对尾涡的耗散作用并不呈正比 王维军等15通过涡动力学诊断可以准确捕捉到离心泵叶轮、蜗壳中涡结构的变化,给离心泵涡控制、流动减阻提供理论依据 郭运珍19研究得出,在螺旋进气道上方加装1/4 尺寸的挡板时,表现出了较好的综合效果 因此,对于进一步分析直喷天然气发动机缸内气体流动,提高其燃烧效率来说,研究涡量是有必要的,且在此方面的研究也较少 直喷天然气发动机缸内燃烧过程存在一个基本问题就是射流与预混火焰的相互作用 为了探索此问题,前期试验发现了当高压甲烷射流作用于甲烷预混火焰时,存在一种现象,即甲烷预混火焰在射流作用下继续膨胀发展,并引燃甲烷
14、射流产生喷射火焰 整个燃烧过程中,弹内层流火焰和湍流火焰并 存11 并且前期也讨论了弹内湍流燃烧形成的原因,即高压射流扰动产生的涡量为湍流燃烧的形成提供适宜的环境,当量比适宜燃烧(先传质);当射流驱动火焰表面到达这一区域时,再加上合适的温度(再传热)形成湍流燃烧20 涡量是度量旋涡运动的重要参数,前期均未更深一步讨论弹内其场的分布及其对火焰有何影响 由于试验无法直接获得弹内涡量场的变化,笔者从仿真的角度进一步分析高压甲烷射流冲击预混火焰过程中动量参数涡量的分布规律以及其对火焰的影响;实现对自由射流模式下弹内气体流动以及预混火焰模式和射流燃烧模式下弹内气体燃烧过程的有效预测,并对控制内燃机总体工
15、作性能的优化具有重要意义 1 理论分析及数值方法 1.1 涡量的定义及计算 涡和涡量是流体力学中两个最基本的概念,涡指的是具有涡旋运动的流体区域,而涡量是描述漩涡运动的重要物理量14,其量化了流体在特定区域的旋转运动,数学上,速度矢量的旋度产生涡量,涡量的计算见公式(1)vijkijkxxxijk 444 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 jkkijkikxxxx+ij jjiixxk(1)式中:代表哈密顿算子;i、j和 k 表示 x、y 和 z 三个基向量;xi、xj和 xk表示 x、y 和 z 轴分量;v为流体速度矢量;i、j和k分别表示速度的 x、y 和 z 轴分量;收敛计算
16、涡量的大小为,见公式(2)222jjkkiijkikijxxxxxx=+(2)1.2 模型建立及验证 笔者基于前期完成的高压甲烷射流冲击预燃火焰试验的结果11-12建立数值模型,试验系统主要由定容燃烧弹装置、进/排气系统、高速纹影系统和同步控制系统组成,如图 1 所示 在射流冲击火焰试验过程中,点火针先点燃预喷甲烷,经过喷射延时 1ms 后,甲烷开始喷射 图 1 试验系统原理示意 Fig.1 Schematic diagram of the test system 定容燃烧弹内部容积为圆柱体,点火针、喷嘴均位于其轴线上,且喷嘴出口距点火针上方 40mm 为观察气体流动及整个燃烧过程(3ms 内
17、),且保证弹壁对内部场无影响,仿真计算区域是一个直径 d1100mm、高度 l1100mm 的圆柱体(与定容燃烧弹同轴),喷嘴出口位于其上表面,如图 1 中红色虚框线所示;建立的三维模型见图 2a,喷孔直径 d01mm,高度 l010mm 对比分析自由射流模式、预混燃烧模式和射流燃烧模式 3 种模式,研究射流冲击火焰过程中涡量的变化特性 射流方向为 Z 轴正方向,坐标原点(0,0)设置在喷嘴出口处,如图 2b 所示 表 1 为 3 种模式的参数设置 设置点火时刻(预混燃烧模式和射流燃烧模式)为时间原点,甲烷喷射延时为 1ms(射流燃烧模式、自由射流模式中甲烷喷射时刻均为 1ms)根据射流燃烧过
18、程中甲烷射流发展过程定义不同时刻为 t1、tin、tc、tout和 t2;而在自由射流模式和预混燃烧模式中其仅代指对应时刻,无其他含义 (a)三维模型 (b)网格示意 图 2 模型示意 Fig.2 Schematic of the model 表 1 3种模式参数设置 Tab.1 Parameter setting of three modes 参数 自由射流 预混燃烧 射流燃烧 初始压力/MPa 0.101 325 0.101 325 0.101 325 初始温度/K 600 600 600 背景气体当量比 1 1 1 喷射入口压力/MPa 10 无喷射 10 点火能量/J 无点火 0.02
19、 0.02 点火时刻/ms 0 0 喷射时刻/ms 1 1 射流未接触火焰面 时刻 t1/ms 1.2 射流进入火焰面 时刻 tin/ms 1.4 射流处于已燃区内部时刻 tc/ms 1.6 射流刚好冲破火焰面时刻 tout/ms 1.8 充分燃烧时刻 t2/ms 3.0 仿真模型网格进行了局部加密 一是根据实际情况进行局部固定加密,由于喷嘴内部和喷嘴出口10mm 处气体流速大,与周围气体流速存在较大速度梯度,因而将其进行 6 级圆台固定加密;采用source/sink 模型以 0.02J 能量点火的方式进行点火,火焰前锋处存在较大温度梯度,将其进行 5 级球形固 2023 年 9 月 雷 艳
20、等:高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化 445 定加密;二是自适应加密,高压射流与预混火焰的相互作用过程中弹内的温度场、速度场和压力场有较大变化,因此,以温度、速度和压力为指标对弹内流场进行 5 级自适应加密 两种加密方法的使用在节约计算资源的同时提高了计算精度 求解计算时,对物理模型的燃烧模型进行简化假设,采用 CONVERGE 中 SAGE 燃烧模型,湍流模型采用雷诺平均纳维斯托克斯(RANS)与重整化群(RNG k-)相结合的方式;定容燃烧弹内的气体均假设为理想气体;定容燃烧弹弹壁假设为绝热;整个过程不考虑热辐射 反应机理采用 GRI3.0 版本机理21,其包含 53个组分、325
21、 个基元反应,能够较吻合地模拟出不同燃烧模式下的甲烷燃烧 图 3 显示网格无关性结果,分别选取 2、4 和8mm 的基本网格尺寸,并将 3 种基本网格尺寸下层流火焰半径计算结果与试验数据做比较;考虑到计算准确性和时间的低成本,其基本尺寸选为 4mm 图 3 网格无关性验证 Fig.3 Verification of grid independence 前期对富燃工况下高压射流冲击预燃火焰进行了数值模拟,其中建立的仿真模型得到较好的验证,将仿真得到的层流火焰半径和贯穿距分别与试验数据相比,相对误差保持在 5%左右,量级基本一致,并且以甲烷密度为标准对仿真流场形态变化与试验做了对比,两者得到的流场
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