包堂堂，邓 俊，吴志军

（同济大学 汽车学院，上海200092）

自燃是指燃料与氧化剂混合发生化学反应而引发热爆炸的现象，它伴随有由于燃料与氧化剂混合过程所导致的物理延迟及由于化学反应引发起始火焰的化学延迟，而湍流反应流中的自燃更是一个非常重要的、国际前沿的燃烧基础研究方向之一；是柴油机扩散燃烧研究中的关键内容.然而由于对实际发动机内部燃烧的试验测量非常困难，目前对湍流反应流中的自燃研究大多是采用数值模拟的方法来研究湍流反应流中自燃的发生条件、反应机理以及采用不同燃烧模型对自燃进行预测等［1－2］.可控活化热氛围燃烧器［3］能够方便地通过改变协流混合气的当量比，提供700～1 500K 的稳定的热氛围及10%～19%的氧氛围［4］.从而可以详细地研究气体及液体燃料的自燃着火规律及影响其稳定燃烧的主要因素，进而为实际发动机燃烧控制提供理论依据，可控活化热氛围燃烧器示意图及实物图如图1—2所示.

图1 可控活化热氛围燃烧器示意图Fig.1 Sketch of the controllable active thermoatmosphere burner

图2 可控活化热氛围燃烧器实物图Fig.2 Picture of the controllable active thermoatmosphere burner

美国加州大学Berkeley分校燃烧分析实验室利用该燃烧装置研究了H2／N2湍流喷射火焰以及低压下的甲醇喷雾燃烧［5］，并且利用概率密度函数（PDF）的方法对射流火焰进行模拟［6］，澳大利亚悉尼大学燃烧实验室在该燃烧器所提供的活化热氛围内研究了不同气体的喷射起升火焰［7］，并且采用两种不同的氢气的化学反应机理来研究参数的变化对模型预测结果的影响［8］.英国剑桥大学在小型的活化热氛围燃烧上进行了H2以及乙炔的湍流自燃研究［9］.在国内，华中科技大学王海峰等［10］利用PDF方法模拟了热协流中的H2／N2起升火焰，计算了火焰的温度场，并将结果与国外的实验数据进行比较.上海交通大学的冯威等［11－12］对该燃烧器的温度场和速度场进行了仿真，其结果与悉尼大学的实验数据相吻合.

本课题组邓俊等［13－14］对热氛围中柴油喷雾自燃现象进行了大量的试验和模拟研究，并且在柴油喷雾试验中发现了影响燃料自燃稳定性的临界温度的客观存在，协流温度在此临界温度两侧对喷雾燃烧影响呈现不同的效果.低于此温度时着火滞燃期较长，而且不同温度下的滞燃期时间变化较大，由自燃引发的射流火焰并不稳定，在火焰基部不断有新的自燃现象产生，火焰的稳定受控于燃料的自燃，而自燃的时刻和位置并没有很强的规律性，因此火焰稳定不易控制.高于临界温度时，着火滞燃期较短，且不同温度引起的变化不大，同时由自燃引发的火焰受火焰传播的控制而比较稳定，且易于控制.由于试验研究中对协流温度调节间隔较大（20～25K），无法精确研究临界温度附近区域的柴油喷雾自燃特性.因此在上述研究的基础上，本文采用条件矩封闭模型（CMC）与三维计算流体动力学（CFD）软件相耦合，建立了可控热氛围下柴油喷雾在常压下的燃烧模型，与试验结果进行对比验证后，将该模型拓展到高压区域，计算了不同环境压力下的柴油喷雾滞燃期与火焰起升高度，研究了环境压力变化对临界温度所在区域的影响，并深入地分析了较高环境背压下临界温度附近区域内协流温度变化对火焰温度以及中间组分的影响.

1 计算模型及其验证

图3是计算所采用过的网格模型，为缩短计算时间，模型取整个圆周的1／8.流体计算部分使用商业流体软件STAR－CD，计算模型选取情况见表1.

图3 计算所用网格模型Fig.3 The mesh model

表1 计算选用模型说明Tab.1 Specification of numerical models

图4为条件矩封闭（CMC）模型和STAR－CD 联合运算的示意图，图中为平均条件焓；hi（T）为各组分在温度T下的焓值为各组分的品均质量分数为各组分平均速度为平均湍动能为平均耗散率；Dt为温度T下的概率密度；P为概率值；为平均统计量为平均混合分数为平均混合分数方差；η为混合分数的样本空间变量；wi（η）为空间变量η处的各组分的质量分数为空间变量η处的平均概率分布.STAR－CD 将Favre平均速度，湍流耗散率以及混合分数的均值和方差等参数传递给CMC，CMC 模型中耦合了CHEMKIN 程序计算化学反应，CMC 计算出Favre 平均组分及Favre平均焓，再返回给STAR－CD.本文用正庚烷（n－C7H16）代替柴油，反应机理采用Hewson 32步简化机理.

图4 CMC与STAR－CD 的耦合流程图Fig.4 Coupling flow chart between CMC and STAR－CD

图5和图6分别为柴油喷雾在热氛围中的着火滞燃期和起升高度随协流温度的变化曲线，实线为计算结果曲线，虚线为试验结果曲线.

计算以及实验初始条件设定如下：协流速度为4 m·s－1，环境压力为标准大气压，喷孔直径为0.15 mm，喷油器启喷压力为20MPa，喷射压力设置为25 MPa，喷油持续期为1.5ms，可以看到，着火滞燃期的计算值略高于试验值，起升高度计算值略低于试验值，最大相对误差都出现在协流温度为1 022 K时，分别为9.3%，8.4%，相对误差最大值不超过10%，认为计算结果在可接受误差范围内.从图上可以看出在1 048K 两侧，滞燃期及起升高度随协流温度变化呈现了阶段变化规律，低于此温度时着火滞燃期较长，而且不同温度下的滞燃期时间变化较大，高于临界温度时，着火滞燃期较短，且不同温度引起的变化不大，同时由自燃引发的火焰受火焰传播的控制而比较稳定，这与试验结果相符［14］.

2 环境压力变化对柴油喷雾燃烧特性的影响

图7是不同环境压力下，热氛围中柴油喷雾滞燃期随协流温度的变化情况，图8是热氛围中柴油喷雾自燃火焰的起升高度随协流温度的变化情况，可见，环境压力变化对滞燃期影响很大.随着环境压力增加，柴油喷雾的滞燃期明显缩短，起升高度明显降低.分析认为，随着环境压力的升高，空气密度增加，柴油喷雾和空气分子的碰撞几率增加，雾化效果增强，可燃混合气的形成速率增加，导致柴油喷雾的滞燃期也相应减小，另外环境压力升高导致喷雾较难往轴向发展，喷雾贯穿距减小，适合着火的柴油喷雾区域形成在靠近喷嘴端，使喷雾火焰起升高度下降.热氛围中的自燃临界温度区域并没有随着环境压力的变化而产生较大影响，还是出现在1 048 K附近区域.

3 临界温度区域内温度及中间组分分布

由于OH 是化学反应链传播的重要活性组分，因此自燃一旦开始，OH 的生成量会大幅度增加，通常可以将OH 大量出现的高度定义为火焰的起升高度，用这种定义得到的起升高度和用温度定义的起升高度几乎完全一致［15］.本节就协流温度在临界温度附近区域时，热氛围中柴油喷雾自燃过程中产生的OH，以及与其产生密切相关的HO2、H、O 等活性组分的分布情况展开研究.图9是不同协流温度下，喷雾开始后2.985 ms时刻，火焰温度T，以及H、OH、O、HO2等活性基团的质量分数的径向分布（从左到右三列温度分别为1 046，1 048，1 050K），由于各组分质量分数数量级相差较大，为了在同一图中进行比较，将各组分质量分数量级分别设置为wH×10－4，wOH×10－3，wO×10－4，wHO2×10－3.可以看出，协流温度从1 046K 增加到1 048K 时，温度T以及OH 等活性基的质量分数并没有明显增加，增幅在10%左右，当协流温度从1 048K 增加到1 050K 时，各组分质量分数明显增加，火焰温度也明显升高，尤其是在火焰往轴向发展以后，随着燃料和空气混合更加充分，各组分的变化更加明显，在高度H＝32mm 处，OH、O 等组分以及场内最高温度的增幅均超过了100%.并且，在协流温度为1 046K和1 048K 时，高度H＝40mm 处，活性组分质量分数相比于前一个高度已开始下降，说明火焰发展到此高度时化学反应的剧烈程度已经开始下降，但是，在协流温度为1 050K 时，同一高度（H＝40 mm）下，活性组分的质量分数并没有出现下降，而是继续上升，场内最高温度也持续升高，这一现象从微观层面证明了1 048K 附近区域确实是热氛围中柴油喷雾稳定自燃的临界温度区域.

图9 火焰温度T 和H、OH、O、HO2 质量分数的径向分布Fig.9 Radial distribution of mass fraction of flame temperature T and H，OH，O as well as HO2

图10 协流温度为1 048K 时火焰温度T 和OH 基关于混合分数f的样本颗粒分散图Fig.10 The sample particles scatter diagram of flame temperature T and OH with the mixture fraction when coflow temperature is 1 048K

图11 不同协流温度下火焰温度T 和OH 基关于混合分数f 的样本颗粒分散图Fig.11 The sample particles scatter diagram of flame temperature T and OH with mixture fraction at different coflow temperatures

图10和图11分别为协流温度在1 048K 时和不同协流温度下，温度和OH活性基关于混合分数f的样本颗粒分散图，混合分数f是研究非预混燃烧所应用的一个重要参数，在化学反应尺度下f也是一个守恒标量，标量耗散率和化学反应速率等重要参数都可以与混合分数f建立关系.对于由一股燃料流和一股氧化剂流组成的简单燃烧系统来说，混合分数计算采用公式如下［15］：

其中，下标1代表燃料端，2代表氧化剂端，w代表任意元素的质量分数，可以看到，在燃料端w＝w1，故f＝1；在氧化剂端w＝w2，故f＝0.

本文中计算燃料为正庚烷（碳氢燃料），混合分数计算公式如下，其中Y表示原子量：

式中wH为氢原子总质量分数；wH，1为燃料端氢原子质量分数；wH，2为氧化剂端氢原子质量分数；wC为碳原子总质量分数；wC，1为燃料端碳原子质量分数；wC2为氧化剂端碳原子质量分数；YH，YC，YO分别为氢原子、碳原子及氧原子的原子量.

从图10中可以清楚地看到柴油喷雾在热氛围中的点火过程和分区特性，在H＝25mm 的位置处，绝大多数颗粒集中在纯混合直线附近，有一小部分开始偏离纯混合线，往绝热反应线（化学平衡反应线）附近移动，说明在这个位置已经有部分颗粒开始点火，这与图8中起升高度的计算结果也是相符的.随着高度的向上发展，到H＝32mm 处，更多的颗粒偏离了纯混合曲线开始点火，在H＝40mm 处，大部分颗粒集中到了绝热反应线附近，说明火焰发展到该位置处时，燃烧已经比较充分，在OH 的样本颗粒分散图上也可以得到类似的分析结果.图11取某特定时刻来分析不同协流温度对燃烧特性的影响，所选时间点与图9 的时间点相同，即为喷雾开始后2.985ms时刻.在该时刻，在所选的三个温度点1 046、1 048、1 050K 下，颗粒开始往绝热反应线附近移动，说明在该时刻颗粒已经开始点火，但在各个高度下都可以看到，协流温度为1 046K 时，颗粒偏离绝热反应线较远，而协流温度为1 048K 和1 050 K 时颗粒较为接近绝热反应线，并且两者颗粒分布位置较为接近，这与图6的分析结果也相符.

4 结论

本文采用数值模拟的方法，将CMC模型与三维CFD 软件相耦合，对可控活化热氛围燃烧器下柴油喷雾燃烧现象进行了研究，建立了热氛围下的柴油喷雾燃烧模型，分析了不同环境压力下的临界温度变化情况，并对临界温度附近区域的柴油喷雾燃烧特性进行了研究，得出以下结论：

（1）本文建立的热氛围下柴油喷雾燃烧模型可以较好地模拟实际的燃烧情况，对滞燃期、起升高度等参数的计算结果与试验值稍有误差，误差在可接受范围之内.

（2）随着环境压力的增加（从2 MPa增加到8 MPa），临界温度维持在1 048K 附近，说明环境压力并不是影响临界温度的关键因素.

（3）2 MPa环境压力下，协流温度超过临界温度以后，热氛围中相同时刻，相同位置的温度以及中间组分变化较大，协流温度从1 048 K 增加到1 050 K，热氛围场内各组分以及温度的最大值增幅均超过100%.

（4）在协流温度为1 046、1 048、1 050K 三个温度点下，对热氛围中的温度以及OH 基相对于混合分数f的样本颗粒分散图进行了研究，结果显示协流温度超过1 048K 以后样本颗粒明显更加靠近绝热反应线.

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