金屬/水反應(yīng)燃料內(nèi)燃機(jī)定容燃燒仿真計(jì)算

安慶友

(69210部隊(duì)，新疆喀什844000)

目前，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)已有長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于受到燃料本身的制約，內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的提高遇到了極大阻礙。因此，從燃料的角度出發(fā)進(jìn)行改進(jìn)，已成為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的新方向。我國(guó)在內(nèi)燃機(jī)燃料的改進(jìn)上已開(kāi)展了許多理論研究，如用氫氣、煤炭以及煤炭派生出來(lái)的燃料來(lái)代替汽油和柴油，利用提高噴射壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，通過(guò)后處理達(dá)到減排的目的等，在金屬/水反應(yīng)燃料方面也有一些理論和實(shí)驗(yàn)研究［1］。在國(guó)外，日本在汽車行業(yè)上進(jìn)行了金屬/水反應(yīng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的嘗試，但很少對(duì)結(jié)構(gòu)和燃料同時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新。本文以現(xiàn)有某型內(nèi)燃機(jī)為樣本，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和燃料的改進(jìn)，重點(diǎn)研究改進(jìn)前后2種燃燒室結(jié)構(gòu)的燃燒特性，通過(guò)同一燃料下2種模型的對(duì)比分析，定量評(píng)價(jià)改進(jìn)后內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能的提高程度。

1 結(jié)構(gòu)與配方

1．1 燃燒室網(wǎng)格模型

本文所指燃燒室是活塞運(yùn)行至上死點(diǎn)前，壓燃瞬間內(nèi)燃機(jī)燃燒室所占有的容積。圖1為某型內(nèi)燃機(jī)燃燒室改進(jìn)前后的網(wǎng)格模型，其中:圖1(a)為改進(jìn)前模型，其左側(cè)為燃燒室頂部，直徑為150 mm，右側(cè)為底部，呈“W”型;圖1(b)為改進(jìn)后模型，根據(jù)流體力學(xué)思想和非預(yù)混燃料充分燃燒的要求，利用Fluent軟件進(jìn)行燃料室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，呈流線型，該設(shè)計(jì)能使燃料充分摻混，燃燒效率高，并為大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率提供有力條件。

圖1 燃燒室改進(jìn)前后網(wǎng)格模型

采用CFD前處理軟件Gambit建立了燃燒室2維模型，利用四邊形和三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，1號(hào)燃燒室模型的網(wǎng)格數(shù)為28 728個(gè)，2號(hào)燃燒室模型的網(wǎng)格數(shù)為11 730個(gè)。其中:1號(hào)燃燒室模型中，有5個(gè)燃料口，直徑為6 mm，位于模型的左側(cè)，上、下兩側(cè)各有一個(gè)進(jìn)水口，直徑為10 mm，右側(cè)W曲線為壓力出口，也就是內(nèi)燃機(jī)活塞的頂部;2號(hào)燃燒室模型中，有3個(gè)燃料口，直徑為6 mm，位于模型的上部，左右兩側(cè)分別有2個(gè)進(jìn)水口，直徑分別為10、10、6、6 mm，底部為壓力出口，也是內(nèi)燃機(jī)活塞的頂部。

1．2 燃料組分配方

改進(jìn)前燃燒室所用燃料為柴油，改進(jìn)后2種燃燒室統(tǒng)一用金屬/水反應(yīng)燃料，該燃料與柴油相比具有能量高、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，其組分配方為:超細(xì)鋁粉末Al(S)、黑索金(RDX)、疊氮(GAP)及水(H2O)［2］。其中:Al(S)中的 S代表粉末;黑索金(RDX)和疊氮(GAP)為添加劑，用于促進(jìn)氧化和還原。1 kg燃料中各組分質(zhì)量占比如下:

2 數(shù)值模型

2．1 基本假設(shè)

內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)符合質(zhì)量守恒、化學(xué)平衡、動(dòng)量守恒、能量和組分方程［3］。為簡(jiǎn)化分析，做如下假設(shè)。

1)流動(dòng)準(zhǔn)定常。從嚴(yán)格意義上講，燃燒室內(nèi)的流動(dòng)是非定常的，為從定性的角度研究影響燃燒效率的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，這里設(shè)為準(zhǔn)定常。

2)各組分的擴(kuò)散系數(shù)相同。

3)不考慮重力的影響。

4)假設(shè)燃燒室內(nèi)的氣體為理想氣體，符合狀態(tài)方程

式中:p為氣體壓力;ρ為氣體狀態(tài)參數(shù);R為燃燒產(chǎn)物的平均氣體常數(shù);T為氣體溫度。

2．2 物理模型

金屬/水反應(yīng)燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒機(jī)理大體如下:金屬粉末以膏體為載體被推射到燃燒室后，與同時(shí)噴射進(jìn)來(lái)的水摻混，在極高的點(diǎn)火溫度(2 800 K左右)下，顆粒液化后燃燒，不斷蒸發(fā)成氣體并參加化學(xué)反應(yīng)，為氣相加入質(zhì)量、動(dòng)量和能量;同時(shí)，金屬/水反應(yīng)燃料的固體顆粒和液滴初始運(yùn)動(dòng)速度較慢，對(duì)氣相的流動(dòng)有一定的阻礙作用，金屬顆粒熔化蒸發(fā)為液滴后，隨氣相流動(dòng)不斷加速向前運(yùn)動(dòng)，使得燃燒室內(nèi)流場(chǎng)氣液兩相形成強(qiáng)烈的耦合作用。該耦合作用是通過(guò)源項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，液滴作為質(zhì)量源、動(dòng)量源和能量源加入到氣相方程中，并通過(guò)源項(xiàng)來(lái)影響氣相流場(chǎng)，而氣相流場(chǎng)又反過(guò)來(lái)影響其速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)。

2．2．1 標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型

式中:ρ為隨時(shí)間變化的密度;t為消耗時(shí)間;xi、xj分別為坐標(biāo)變量;k為湍動(dòng)能;Gk為由于平均梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng);ε為湍動(dòng)能耗散率;ui為第i種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度;μ、μt是湍動(dòng)能黏度;模型常數(shù)C1ε=1．44，C2ε=1．92，σk=1．0。

2．2．2 噴霧模型

選用組射流源group，假定燃料進(jìn)入燃燒室后立即霧化為液滴，即液滴初始位置在燃燒室燃料入口處，因此可以通過(guò)噴嘴模型估算液滴的初始速度分布。其液滴直徑分布通過(guò)對(duì)噴嘴的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，滿足Rosin-Rammler分布。將液滴進(jìn)行分組，每組液滴具有相同的初始尺寸、速度和溫度［4］。

2．2．3 P-I輻射模型

式中:qr為位置向量r上的輻射強(qiáng)度;a為吸收系數(shù);σs為散射系數(shù);C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù);G為入射系數(shù)。

2．3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，可得如下數(shù)學(xué)模型。

2．3．1 氣相控制方程

連續(xù)方程為

動(dòng)量方程為

能量方程為

式中:uj為第j種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度;Yi為組分i的體積分?jǐn)?shù)，ρYi為該組分的質(zhì)量濃度;τij為應(yīng)力張量;Slf為由于兩相間動(dòng)量交換而加入的源項(xiàng);h為流體焓值;D 為組分的擴(kuò)散系數(shù);Sdm、Sdu、Sdh、SdYi為由于液滴的蒸發(fā)而加入的源項(xiàng)，Sch、ScYi為由于化學(xué)反應(yīng)而加入的源項(xiàng)。

2．3．2 液相控制方程

組分方程為

式中:ug、ud分別為氣相和液滴的速度矢量;ρg、ρd分別為氣相和液滴的密度;Rd為液滴的半徑;CD為阻力系數(shù)。

2．3．3 組分模型

1)化學(xué)反應(yīng)

從該反應(yīng)式中可得出:在理想狀態(tài)下1 kg金屬/水反應(yīng)燃料燃燒的產(chǎn)物中只有7．197 3e-3g氧化氮產(chǎn)物產(chǎn)生。

2)渦耗散(ED)模型

該模型的反應(yīng)速率Ri，k表達(dá)式為

式中:Ri，k為第 i種物質(zhì)在第 k個(gè)反應(yīng)中的反應(yīng)速率;vi'，k為反應(yīng) k 中反應(yīng)物 i的化學(xué)計(jì)量系數(shù);vR'，k為反應(yīng) k 中反應(yīng)物 R 的化學(xué)計(jì)量系數(shù);Mw，i、Mw，R分別為第i、R種物質(zhì)的分子量;mp和mR分別為所有產(chǎn)物組分和某一特定反應(yīng)物的質(zhì)量比;R為使得Ri，k為最小時(shí)的反應(yīng)物組分;A=4，B=0．5，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

3 仿真計(jì)算

3．1 Fluent軟件和 SIMPLE 算法［6］

Fluent軟件是通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖形顯示的方式對(duì)包含流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析，是在基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。其基本思想是用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上變量值的集合來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，并通過(guò)一定的規(guī)則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量關(guān)系的代數(shù)方程組，然后通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

SIMPLE算法的基本思想是對(duì)于給定的壓力場(chǎng)，求解離散形式的動(dòng)量方程，得出速度場(chǎng)。因?yàn)閴毫?chǎng)是假定的或者不精確的，由此得到的速度場(chǎng)一般不滿足連續(xù)方程，故必須對(duì)給定的壓力場(chǎng)加以修正。修正的原則是:以壓力場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的速度為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，當(dāng)滿足連續(xù)方程的精度要求后即停止修正。據(jù)此原則，首先，將由動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，得到壓力修正方程，進(jìn)而得出壓力修正值;然后，將修正后的壓力場(chǎng)作為給定的壓力場(chǎng)，開(kāi)始下一循環(huán)的計(jì)算;如此反復(fù)，直到獲得收斂解。

3．2 邊界條件［7］

1)入口邊界條件

金屬燃料的入口邊界條件取速度入口模型，采用多點(diǎn)射入方式，氧化劑水入口邊界也設(shè)為速度入口模型。因金屬/水反應(yīng)燃料燃點(diǎn)高，故在初始條件下設(shè)壁面溫度T=1 300 K。射入方向:圖2(a)模型中，燃料取x軸正方向，下側(cè)進(jìn)水口取y軸正方向，上側(cè)進(jìn)水口取y軸負(fù)方向;圖2(b)模型中，燃料取y軸負(fù)方向，左側(cè)進(jìn)水口取x軸正方向，右側(cè)進(jìn)水口取x軸負(fù)方向。

圖2 2種模型的出口、入口邊界條件

2)出口邊界條件

如圖2所示，出口為內(nèi)燃機(jī)活塞的頂部，設(shè)置為壓力出口(Pressure out)模型，出口壓力由內(nèi)部流場(chǎng)推出。表壓設(shè)為“0”，同上，出口溫度T=1 300 K，湍流強(qiáng)度 I=10%，水力直徑為出口直徑尺寸0．01 m，離散項(xiàng)邊界條件選為“escape”。

3)對(duì)稱軸邊界條件

各變量在對(duì)稱軸處的徑向梯度為0。

3．3 燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與分析

按相同摻混燃料供給量，對(duì)2種模型進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，燃燒平衡收斂后，其溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及濃度場(chǎng)分析如下［8］。

3．3．1 燃燒室溫度場(chǎng)

圖3為燃燒室改進(jìn)前后的靜溫云圖。從圖3(a)可以看出:燃燒室在燃料入口處形成高溫區(qū)，而且隨著燃料和水混合燃燒，高溫區(qū)逐漸變窄，最后達(dá)到穩(wěn)定溫度，同時(shí)右側(cè)等高線過(guò)渡平緩，溫度相對(duì)穩(wěn)定。從圖3(b)可以看出:燃料從進(jìn)口處與上側(cè)進(jìn)水口的水摻混燃燒的區(qū)域?qū)俚蜏貐^(qū)，同時(shí)下面進(jìn)水口的水與已燃物質(zhì)摻混燃燒的區(qū)域也是低溫區(qū)，出口

圖3 燃燒室改進(jìn)前后的靜溫云圖

處溫度高趨于穩(wěn)定，溫度等高線較為分明，過(guò)渡平緩，且高溫區(qū)較長(zhǎng)，燃燒充分。

3．3．2 燃燒室壓力場(chǎng)

設(shè)定工作壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。圖4為燃燒室改進(jìn)前后的靜壓云圖。從圖4(a)可以看出:壓力從燃料入口至活塞處呈遞減趨勢(shì)，層次分明，過(guò)渡平緩，在活塞中間部位存在高壓段，活塞兩側(cè)屬低壓段，最高壓只能達(dá)到75 MPa。從圖4(b)可以看出:有5個(gè)高壓區(qū)、4個(gè)低壓區(qū)，在活塞處形成最高壓，燃燒室最高壓力可達(dá)到1 000 MPa左右。

圖4 燃燒室改進(jìn)前后的靜壓云圖

3．3．3 燃燒室速度場(chǎng)

圖5為燃燒室改進(jìn)前后的速度矢量云圖。從圖5(a)可以看出:在燃燒室中，氣體的運(yùn)動(dòng)速度較小，而在靠近出口處，氣體運(yùn)動(dòng)速度迅速增大。從圖5(b)可以看出:燃燒室中間有許多氣體漩渦，中部偏下有一個(gè)高速區(qū)，最高可達(dá)到7．5e4m/s，之后速度沿等高線呈梯形下降，出口處速度最小。這主要是由于在出口處，燃燒反應(yīng)劇烈完全，大量生成燃燒產(chǎn)物，燃?xì)獾臋M向流動(dòng)和向噴射霧化區(qū)的回流使得燃?xì)庠诔隹谔幍牧鲃?dòng)速度較小。

圖5 燃燒室改進(jìn)前后的速度矢量云圖

3．3．4 燃燒室濃度場(chǎng)

圖6-10為燃燒室改進(jìn)前后各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。從圖6(a)-10(a)可以看出:當(dāng)燃燒達(dá)到平衡狀態(tài)后，反應(yīng)物積于入口較多，產(chǎn)物積于活塞頂部?jī)蓚?cè)較多，燃料燃燒不充分，如Al(S)最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)6．5e-3為紅色區(qū)域，原因在于摻混不夠均勻。從圖6(b)-10(b)可以看出:當(dāng)燃燒達(dá)到平衡狀態(tài)后，反應(yīng)物幾乎全部轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物，在各燃燒區(qū)域反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物都是最多的，而后以等高線形式平緩遞減，主要是因?yàn)槿剂蠐交炀鶆?、燃燒充分，如Al(S)最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)7．5e-6為紅色區(qū)域，相對(duì)1號(hào)燃燒室質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，燃燒效率高。

圖6 燃燒室改進(jìn)前后的Al(S)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖7 燃燒室改進(jìn)前后的H2 O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖8 燃燒室改進(jìn)前后的H2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖9 燃燒室改進(jìn)前后的Al2 O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖10 燃燒室改進(jìn)前后的C60H102O21 N60的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

4 結(jié)論

1)按流體力學(xué)設(shè)計(jì)思想，通過(guò)2種燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)比，建立了新燃料內(nèi)燃機(jī)燃燒室定容燃燒數(shù)值模擬模型。

2)采用金屬/水反應(yīng)燃料，依托改進(jìn)后的燃燒室模型，在材料的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷允許的情況下，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)功率的大幅度提升提供動(dòng)力條件，同時(shí)也能大幅度降低污染指數(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)本文建立的模型比較粗糙，數(shù)值計(jì)算方面大都是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，下一步需建立精細(xì)化模型，并創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以期在理論與實(shí)踐的反復(fù)論證中生產(chǎn)出樣機(jī)。

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