基于FIRE的二甲醚－空氣預(yù)混特性的模擬

孫志強，李巧英，金 陽，段俊法，2

（1．華北水利水電學院機械學院，河南鄭州 450045;2．北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

近些年來，由于石油資源的日趨減少，車輛尾氣排放對大氣污染的愈加嚴重，加上日益嚴格的排放法規(guī)，如何在車用內(nèi)燃機上燃用清潔的替代燃料，已引起廣泛關(guān)注．國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展了二甲醚應(yīng)用在汽車上的研究，包括二甲醚燃燒、排放和噴霧特性等方面［1－4］．一系列試驗研究表明：二甲醚的物化特性非常優(yōu)良，含有很大潛能，二甲醚發(fā)動機具有和直噴柴油機幾乎相同的熱效率，且運轉(zhuǎn)柔和，燃燒噪聲低，幾乎與汽油機相當，催化處理后可實現(xiàn)超低排放，燃油噴射壓力低．

筆者基于國內(nèi)外文獻的研究成果，運用先進的流體分析軟件FIRE模擬GW4D20發(fā)動機的二甲醚－空氣預(yù)混特性，以此提出了將二甲醚應(yīng)用在傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機上時對進氣道的改進建議．

1 二甲醚－空氣的預(yù)混

進氣道的質(zhì)量指標主要有流動阻力和渦流強度．氣流的品質(zhì)和氣道結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理，直接影響到缸內(nèi)新鮮空氣充量的大小和吸入空氣渦流的強度．進氣過程中進入氣缸的空氣量和氣體的速度分布及其渦流和湍流狀況等又明顯影響著燃燒過程，影響到發(fā)動機的排氣成分、燃燒完善程度、廢氣可用能量以及發(fā)動機的運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性等．

該模擬研究是在不造成發(fā)動機爆燃的前提下，在GW4D20發(fā)動機進氣道內(nèi)噴入一定量的二甲醚，并與空氣在進氣道內(nèi)進行預(yù)混．預(yù)混質(zhì)量的好壞決定了可燃混合氣進入各缸的均勻性，進而決定二甲醚進入氣缸后可燃混合氣的著火時刻、燃燒能量，以及后續(xù)柴油噴入后的擴散燃燒的好壞，進而決定發(fā)動機的各項技術(shù)指標．由模擬結(jié)果知，燃料在進氣道內(nèi)混合質(zhì)量的好壞決定于進氣道的設(shè)計，改善它可以改進發(fā)動機的相關(guān)性能．三維模擬能夠系統(tǒng)地反映進氣氣流狀況和氣體運動過程及對系統(tǒng)進行三維模擬設(shè)計．

2 進氣道流場模擬

氣道內(nèi)流場的多維數(shù)值模擬技術(shù)是基于流體力學的基本原理，用一組守恒偏微分方程，描述氣道內(nèi)流體運動及其對缸內(nèi)空氣運動的影響［5］．利用計算機對這組方程在特定的邊界條件和初始條件下進行數(shù)值求解，可以獲得一系列氣道內(nèi)流場的詳盡信息，如氣道內(nèi)的流速、溫度和壓力分布等空間場［6－8］．所用數(shù)學模型是質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、k－ε雙方程模型及相關(guān)的理想氣體狀態(tài)方程和熱力學關(guān)系式［9］，寫出求解微分方程的源程序，就可以由此求解不同類型的流體流動問題．對GW4D20發(fā)動機指定的初始條件為：質(zhì)量流量m=0．038 107 kg/s;溫度T=293．15 K;指定湍動能 ε =0．02 m2/s2;湍流長度尺度lt=0．001 m;出口指定靜壓p=100 000 Pa．采用有限差分法（FDM）進行流體的三維離散［10］．

3 進氣道內(nèi)流場結(jié)果分析

FIRE中的矢量場很好地描述了GW4D20發(fā)動機進氣道內(nèi)氣體流場的流線和流型，對流體運動情況的研究非常重要．通過數(shù)值模擬計算，保證收斂性良好的情況下，選定時間步長制作流場切片．各速度場如圖1—5所示．

圖1 縱向速度場

由圖1可以看出，在進氣總管段混合氣的流速較大并且均勻，具有很高的湍動能，可見此段混合氣的均勻性很好．但是在進氣道底部流速變化梯度較大，在與進氣歧管銜接處有形成滾流的趨勢，可以對流體進行適當?shù)囊龑?dǎo)使?jié)L流增強，有利于氣體的混合．進氣歧管進口處流速只有原來的1/4，且有死區(qū)（速度為0）出現(xiàn)，使得進入進氣歧管的氣體密度分布很不均勻，從而混合氣無法形成適當?shù)耐牧?，影響其進入缸內(nèi)的燃燒性能，但可通過增強滾流來改善．

圖2 上表面速度場

圖2為進氣道上表面速度場，可以看出進氣總管下端出現(xiàn)速度接近為零的大片區(qū)域，即死區(qū)．說明此處并無流體流過或流體流動緩慢，會造成混合氣的局部濃度變大，極大地影響了混合氣的均勻性．因此，在進氣管的設(shè)計中可以考慮將其適當削減．

圖3 下表面速度場

由圖3可以看出，在進氣道的底部，特別是進氣總管下側(cè)兩邊對稱區(qū)域有速度較大區(qū)域，可能是由進氣道的大片死區(qū)引起，一方面進氣道底部受到較大的壓力，使得對進氣道本身的機構(gòu)強度要求增大;另外，也使得進氣阻力增大，能量損耗較多，不利于后期進入氣缸內(nèi)形成渦流，進而影響燃燒．因此，有必要對進氣道內(nèi)流體運動進行適當?shù)囊龑?dǎo)，以便使其能量損耗降到最低，有利于氣體的預(yù)混合．

圖4 俯視速度場

由圖4可以看出，混合氣在未進入進氣歧管之前比較均勻，進入進氣歧管后，出現(xiàn)了兩端進氣歧管速度均勻且流速較大，可見混合氣在這兩個進氣歧管中混合較均勻．但是中間2個進氣歧管出現(xiàn)了較大的速度差，且整體流速較低，混合氣的均勻性較差，并且湍動能較?。f明進入4個氣缸的混合氣濃度有差異，各缸的均勻性差，應(yīng)該考慮對氣體的流動進行適當引導(dǎo)．

圖5 流量增加20%的上表面速度場

圖5為流量增加20%的上表面速度場切片，與圖2上表面速度場相比，速度接近為0的區(qū)域減小，可見當車輛處于較大負荷時，有利于對進氣道結(jié)構(gòu)自身不足的彌補，有利于混合氣的均勻混合．因此，可以考慮進氣前端加上增壓裝置．

4 結(jié)語

1）二甲醚與空氣混合氣在進氣道內(nèi)流動的過程中，特別是在總進氣道的下端出現(xiàn)了較多的死區(qū)（流速為0），會使得進氣道內(nèi)混合氣局部濃度過大，混合氣均勻性變差，需要對進氣道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減少死區(qū)的數(shù)量．

2）當混合氣進入4個進氣歧管時，兩端進氣歧管的混合氣比中間兩進氣歧管混合氣均勻性好，導(dǎo)致進入4個氣缸的混合氣濃度有差異，各缸的均勻性差，有必要對進氣歧管的位置進行調(diào)整．同時對流體的流動進行引導(dǎo)，可以在流體流入進氣歧管前使其形成滾流加速混合氣的混合．

3）當進氣道內(nèi)的氣體質(zhì)量流量增加，會改善混合氣的均勻性．所以如果在進氣前端加上增壓裝置可以減少死區(qū)數(shù)量，將有利于混合氣的預(yù)混．

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