柴油十六烷值測定過程中的燃燒模擬研究

張會(huì)成，付 偉，郭亞平，凌鳳香，高 波，程仲芊

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.中國石油化工股份有限公司科技部)

柴油十六烷值測定過程中的燃燒模擬研究

張會(huì)成1，付 偉2，郭亞平1，凌鳳香1，高 波1，程仲芊1

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2.中國石油化工股份有限公司科技部)

以計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等理論研究為基礎(chǔ)，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機(jī)氣缸內(nèi)燃料霧化、傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對氣缸內(nèi)燃燒過程中的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進(jìn)行模擬仿真分析。結(jié)果表明：在恒定風(fēng)量條件下，隨著氣缸內(nèi)空氣的壓縮，缸內(nèi)溫度、壓力升高，在上止點(diǎn)(360°轉(zhuǎn)角)的壓縮溫度可滿足燃料壓燃條件；在風(fēng)量表讀數(shù)從200增加到800時(shí)，壓縮終止溫度從426 ℃上升到503 ℃，可滿足燃料著火性質(zhì)的要求；在燃燒階段，溫度流場、壓力流場和速度流場的變化受氣缸內(nèi)局部區(qū)域燃料燃燒特性的影響，局部區(qū)域燃料的劇烈燃燒導(dǎo)致溫度、壓力和空氣速度急劇增加并傳遞到其它區(qū)域，促進(jìn)其它區(qū)域燃料的燃燒，使溫度流場、壓力流場和速度流場處于瞬時(shí)變化中。

風(fēng)量調(diào)節(jié) 十六烷值 柴油 燃燒

柴油是壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，十六烷值是柴油質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，可用于表征柴油的燃燒性能。測定柴油十六烷值的最直接方法是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒法。柴油在十六烷值機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒過程受多種因素的影響[1-3]，包括進(jìn)入氣缸的空氣量、柴油噴入量、氣缸壓縮比等，既有霧化、傳熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、多相流傳質(zhì)的物理現(xiàn)象，也有燃燒過程中滯燃、急燃、緩燃、后燃期的氧化鏈反應(yīng)的化學(xué)過程，最終化學(xué)反應(yīng)的放熱導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度、壓力持續(xù)升高。風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的過程不同于傳統(tǒng)方式[4]，是在固定氣缸壓縮比、柴油噴入量、燃燒滯后期的條件下，根據(jù)不同十六烷值的柴油燃料來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量(等容可變壓縮力調(diào)節(jié)參數(shù))，調(diào)節(jié)氣缸上止點(diǎn)壓縮溫度，滿足柴油壓燃的要求，達(dá)到測定十六烷值的目的。本課題以計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等理論研究為基礎(chǔ)，建立FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機(jī)氣缸內(nèi)燃料霧化、傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對氣缸內(nèi)燃燒過程中的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進(jìn)行模擬仿真分析，為風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的科學(xué)性提供依據(jù)。

1 模擬燃燒過程及相關(guān)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞從上止點(diǎn)下移，采用自然吸氣，氣量的控制由等容可變壓縮力調(diào)節(jié)(風(fēng)量調(diào)節(jié))，到達(dá)下止點(diǎn)完成吸氣，活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)壓縮空氣，溫度、壓力逐漸升高，到上止點(diǎn)前20°提前角噴射柴油，此時(shí)還不足以達(dá)到柴油壓燃點(diǎn)，繼續(xù)壓縮，氣缸內(nèi)溫度、壓力持續(xù)升高，理想狀況下，在上止點(diǎn)正好達(dá)到柴油自燃點(diǎn)時(shí)，噴油提前角與發(fā)火延遲角均為20°，由參數(shù)計(jì)算得到十六烷值。在噴油提前角為20°時(shí)，如果發(fā)火延遲角小于20°，則活塞還沒有到上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)溫度就達(dá)到了柴油壓燃點(diǎn)，說明氣缸內(nèi)空氣量過大，需減少進(jìn)入氣缸的空氣量；反之，如果到上止點(diǎn)時(shí)氣缸內(nèi)柴油沒有發(fā)生燃燒現(xiàn)象，則說明氣缸內(nèi)溫度較低，沒有達(dá)到柴油壓燃溫度，需要增加進(jìn)入氣缸的空氣量。總之，整個(gè)過程是通過控制風(fēng)量來調(diào)節(jié)氣缸上止點(diǎn)壓縮溫度，滿足柴油壓燃的要求。

1.2 模擬參數(shù)

FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)型式為單缸四沖程，缸徑×行程為90 mm×90 mm，轉(zhuǎn)速(1 000±10)rmin，壓縮比21，進(jìn)油量10 mL(90 s±1.5 s)，噴油提前角20°，發(fā)火延遲角20°，噴油壓力(12.75±0.5)MPa，等容可變壓縮力調(diào)節(jié)范圍0～200 kPa，風(fēng)量表讀數(shù)范圍0～1 000。

1.3模擬燃料

正十六烷：純度≥99.0%，十六烷值為100。

七甲基壬烷：純度≥98.0%，十六烷值為15。

模擬燃料油：按不同體積比混合正十六烷和七甲基壬烷，配制3種十六烷值燃料油樣品，其十六烷值理論計(jì)算值分別為57.2、42.3和36.5，相應(yīng)的風(fēng)量表讀數(shù)分別控制在200、400和800。

2 模型的建立

2.1 氣、液相混合基本假設(shè)

目前許多銀行在信息化建設(shè)過程中，其多是將資金投放在硬件設(shè)備上面，在軟件設(shè)備跟服務(wù)上面的資金投入相對比較少，這也就導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)在銀行中存在有整體運(yùn)用效率不高的問題，也就制約了銀行信息化管理的進(jìn)一步發(fā)展。此外銀行作為一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，其受到以往制度影響比較大，許多人還都習(xí)慣沿用傳統(tǒng)的制度來進(jìn)行銀行管理工作，也就導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)技術(shù)在銀行管理應(yīng)用過程中受到比較大的制約，也就無法獲得良好的銀行管理效果。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測和歸納總結(jié)，本研究采用如下的模型假設(shè)：① 多相流動(dòng)系統(tǒng)為氣-液兩相流，其中氣相為連續(xù)相，液相為分散相，且在流動(dòng)過程中氣、液兩相的壓力相同；② 該傳遞過程為非穩(wěn)態(tài)過程；③ 對液滴流動(dòng)采用顆粒形式的相際曳力模型[5]；④ 對連續(xù)相和分?jǐn)?shù)相均采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，氣泡內(nèi)的湍流未考慮；⑤ 氣、液混合物流出井口形成單向(外流)條件，出口采用充分發(fā)展的出流條件。

2.2 氣-液兩相流動(dòng)控制模型

氣-液兩相流動(dòng)連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

αf+αp=1

(3)

式中：u為黏度；ρ為密度；α為空泡份額；下標(biāo)p表示壓力；下標(biāo)f表示燃料。

湍流流動(dòng)方程為：

(4)

式中：φ為流場體積源；Sφ為源項(xiàng)；μeff為流場特性流出率；σφ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)。

對低Mach數(shù)流動(dòng)[6]，流體流動(dòng)作用在浸沒物體上的曳力分為兩種：①由黏性表面剪切應(yīng)力造成的表皮阻力；②由物體周圍壓力分布所造成的形體阻力。通常，把總的曳力以無因次曳力系數(shù)(CD)的形式來表示：

(5)式中：DF為總曳力；A為旋渦耗散模型參數(shù)；Uα為氣流體速率；Uβ為液體速率；ρα為氣流體密度。

基于相際作用情況，CD采用如下模型關(guān)聯(lián)：

(1) 在氣泡雷諾數(shù)(Re)很低的黏性區(qū)，氣泡運(yùn)動(dòng)與固體顆粒相同，采用Schiller Naumann關(guān)聯(lián)式計(jì)算曳力系數(shù)：

(6)

3 模擬結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)固定的條件下，以正十六烷和七甲基壬烷配制的模擬油為原料，對FCD-Ⅱ型柴油十六烷值機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過程的溫度流場、壓力流場、速度流場分布進(jìn)行模擬分析。

3.1 溫度流場分布

風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)氣缸內(nèi)燃燒過程的溫度流場變化如圖1所示，由藍(lán)色過渡到紅色，表示相對溫度由低到高。由圖1可以看出，氣缸活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)吸氣到下止點(diǎn)，氣缸內(nèi)溫度變化較小，壓縮開始后，氣缸內(nèi)溫度升高，在340°轉(zhuǎn)角(上止點(diǎn)前20°噴油提前角)噴油，氣缸內(nèi)形成油氣混合霧，壓縮到上止點(diǎn)360°，此時(shí)達(dá)到壓縮最高溫度，部分區(qū)域點(diǎn)開始燃燒，導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度急劇升高，燃料進(jìn)入急燃期，相應(yīng)的壓力升高，推動(dòng)活塞進(jìn)入做功階段，超過下止點(diǎn)540°轉(zhuǎn)角，開始排氣，完成720°轉(zhuǎn)角并重復(fù)下一過程。氣缸內(nèi)的溫度流場分布不均勻，總是存在個(gè)別區(qū)域溫度較高的情況，這是由該區(qū)域的燃料組成特點(diǎn)決定的。

風(fēng)量對溫度的調(diào)節(jié)表現(xiàn)在氣缸壓縮終止時(shí)(360°轉(zhuǎn)角)壓縮溫度的變化。圖2為壓縮過程中風(fēng)量與壓縮溫度的關(guān)系。風(fēng)量表讀數(shù)大，表示進(jìn)入氣缸的空氣量多。由圖2可知，隨著風(fēng)量表讀數(shù)增大，壓縮溫度升高，在風(fēng)量表讀數(shù)從200提高到800時(shí)，壓縮溫度從426 ℃提高到503 ℃，可滿足上止點(diǎn)燃料油的壓燃溫度要求。

3.2 壓力流場分布

風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)氣缸內(nèi)燃燒過程的壓力流場變化如圖3所示，由藍(lán)色過渡到紅色，表示相對壓力由低到高。由圖3可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)采用自然吸氣，吸氣過程中氣缸內(nèi)壓力較小，但在整個(gè)吸氣階段，壓力流場分布不均勻，靠近活塞面附近壓力略高于進(jìn)氣口附近，經(jīng)過下止點(diǎn)(超過180°轉(zhuǎn)角)進(jìn)入壓縮過程，氣缸內(nèi)壓力逐漸增加，到上止點(diǎn)(360°轉(zhuǎn)角)時(shí)壓縮壓力最高，進(jìn)入燃燒階段，燃燒溫度增加導(dǎo)致壓力更加急劇升高并促進(jìn)做功，經(jīng)過540°轉(zhuǎn)角排氣時(shí)，壓力又降低，隨后重復(fù)下一過程。壓力流場分布與溫度流場分布相似，局部區(qū)域燃燒溫度較高，引起壓力升高并傳遞到其它區(qū)域。

圖1 風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)的溫度流場分布

圖2 風(fēng)量與壓縮溫度的關(guān)系

風(fēng)量對壓力的調(diào)節(jié)表現(xiàn)在氣缸壓縮終止時(shí)(360°轉(zhuǎn)角)的壓縮壓力變化。圖4為風(fēng)量與壓縮壓力的關(guān)系。由圖4可知，隨著風(fēng)量表讀數(shù)增大，壓縮壓力升高，在風(fēng)量表讀數(shù)從200提高到800時(shí)，壓縮壓力從425.46 kPa提高到800.27 kPa。

圖3 風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)的壓力流場分布

3.3 速度流場分布

速度流場分布是指氣缸內(nèi)空氣流動(dòng)速度的變化。風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)氣缸內(nèi)燃燒過程的速度流場分布見圖5，由藍(lán)色過渡到紅色，表示相對空氣流動(dòng)速度由低到高。由圖5可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)自然吸氣時(shí)，進(jìn)氣口空氣流動(dòng)最快；在壓縮階段，活塞界面空氣速度變化梯度最大；在做功階段(超過360°轉(zhuǎn)角)，速度流場的分布不均勻，但與局部區(qū)域劇烈燃燒導(dǎo)致的溫度流場變化相對應(yīng)；經(jīng)過540°轉(zhuǎn)角排氣時(shí)，排氣口的空氣速度最大，并逐漸降低。

圖4 風(fēng)量與壓縮壓力的關(guān)系

圖6為風(fēng)量表讀數(shù)分別為200、400和800的情況下典型轉(zhuǎn)角的速度流場變化對比。由圖6可以看出，不同風(fēng)量表讀數(shù)下典型轉(zhuǎn)角的速度流場變化趨勢接近。

圖5 風(fēng)量表讀數(shù)為200時(shí)的速度流場分布

圖6 不同風(fēng)量下典型轉(zhuǎn)角的速度流場對比

4結(jié)論

(1) 使用計(jì)算模擬仿真技術(shù)，直觀地模擬十六烷值機(jī)氣缸內(nèi)部的流動(dòng)、傳熱及燃燒過程，是實(shí)驗(yàn)手段的良好補(bǔ)充，證實(shí)風(fēng)量調(diào)節(jié)測定十六烷值的方法具有科學(xué)性。

(2) 在壓縮階段，氣缸內(nèi)溫度和壓力均逐漸升高，并且隨風(fēng)量(等容可變壓縮力)增加而升高，當(dāng)風(fēng)量表讀數(shù)從200增加到800時(shí)，壓縮終止溫度從426 ℃升高到503 ℃，壓縮壓力從425.46 kPa提高到800.27 kPa，可滿足上止點(diǎn)燃料油的壓燃溫度要求。

(3) 在燃燒階段，溫度流場、壓力流場、速度流場的變化受氣缸內(nèi)局部區(qū)域燃料燃燒特性的影響，局部區(qū)域燃料的劇烈燃燒導(dǎo)致溫度、壓力和空氣速度的急劇增加并傳遞到其它區(qū)域，促進(jìn)其它區(qū)域燃料的燃燒，使溫度流場、壓力流場和速度流場處于瞬時(shí)變化中。

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SIMULATIONSTUDYOFDIESELCOMBUSTIONDURINGDETERMINATIONOFCETANEINDIESELENGINE

Zhang Huicheng1， Fu Wei2， Guo Yaping1， Ling Fengxiang1， Gao Bo1， Cheng Zhongqian1

(1.SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，F(xiàn)ushun，Liaoning113001；2.SINOPECMinistryofScienceandTechnology)

By the computational fluid dynamics，computational heat transfer and chemical kinetics，a model for pulverization and mass transfer of diesel fuel in FCD-II cetane number machine was established to simulate the changes of combustion parameters of temperature，pressure and speed of airflow in the engine.The results indicate that the temperature and pressure of air due to being compressed is high enough to ignite the fuel at the top dead center(360° angle position) in the case of invariable air volume.When the reading value of the air flow meter is increased from 200 to 800，the compression terminal temperature rises from 426 ℃ to 503 ℃，high enough to ignite the fuel.During fuel combustion，the parameters are increased sharply by rapid combustion in local region in the cylinder and transferred to other regions，resulting in instantaneous variations of temperature，pressure and air speed in cylinder.

airflow control； cetane number； diesel； combustion

2017-01-10；修改稿收到日期： 2017-03-27。

張會(huì)成，博士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)槭彤a(chǎn)品檢測技術(shù)及分子結(jié)構(gòu)表征，公開發(fā)表論文50余篇，申請專利20余項(xiàng)，獲得中國石化科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次、三等獎(jiǎng)1次。

張會(huì)成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項(xiàng)目(713027)。