引射比對生物柴油斯特林發(fā)動機燃燒影響的仿真研究

王林濤，孫春華，林志民，虞翔宇，喬信起，袁 雄，王繼剛

(1. 上海交通大學 內燃機研究所, 上海 200240; 2. 中國船舶重工集團公司第七一一研究所, 上海 201108)

斯特林發(fā)動機工作平穩(wěn)、噪聲低、效率不受排氣背壓影響，是目前世界上水下平臺的主要動力形式，瑞典、日本、中國等一直將其作為水下平臺動力的重要技術發(fā)展方向.斯特林發(fā)動機一般燃用石化柴油，采用純氧引射再循環(huán)燃燒廢氣技術[1-3].

與內燃機相比，斯特林發(fā)動機噴霧和燃燒連續(xù)，對燃料適用性好，可免于石化燃料供應不足的限制，且排放低，無需昂貴、復雜的電控共軌系統(tǒng)及后處理裝置.因此，除軍用外，斯特林發(fā)動機也在民用海洋船舶、熱電聯(lián)產及農業(yè)等領域具有廣泛的應用前景[4-6].

生物柴油來源廣，與柴油的理化特性相近，可直接替代柴油或與柴油調合使用，并已在熱電聯(lián)產斯特林發(fā)動機上成功使用[7].生物柴油的十六烷值高，硫含量低，運輸存儲安全.因為含氧，且熱值與柴油相近，其產生單位熱值耗氧少，水下平臺相同攜氧量下可增大續(xù)航.另外，含氧燃料燃燒可緩解因局部油氧混合不均致燃燒異常的現(xiàn)象，有利于提高熱效率，抑制局部爆震.

斯特林發(fā)動機噴霧燃燒雖是一準穩(wěn)態(tài)過程，但由純氧引射的再循環(huán)廢氣對噴射油束及燃燒過程具有復雜的物理(剪切、卷吸及摻混等)和化學(惰性氣體稀釋)作用，理論解析斯特林發(fā)動機噴霧燃燒過程難度極大，目前研究仍以試驗為主.胡懷禮等[8-9]利用高速攝影儀和激光粒度儀，研究了斯特林發(fā)動機引射對噴霧的影響，發(fā)現(xiàn)引射氣體對噴霧發(fā)展及霧滴粒徑影響很大.Paul等[10]利用廢氣再循環(huán)技術在斯特林發(fā)動機上實現(xiàn)了低品質燃油的穩(wěn)定燃燒，但受低引射比下小廢氣再循環(huán)率的限制，燃燒不夠高效.已有研究表明引射比是影響斯特林發(fā)動機噴霧和燃燒的關鍵因素.

由于試驗難以獲得噴霧燃燒場細節(jié)，數(shù)值模擬已成為斯特林發(fā)動機噴霧燃燒研究的有力手段.Xin等[11]研究了斯特林發(fā)動機加熱器螺旋彈簧管內往復振蕩流動的流動與傳熱特性.葉擁擁等[12]對斯特林發(fā)動機燃油霧化及燃燒進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)再循環(huán)廢氣與氧化劑體積比達到11.5時可實現(xiàn)無焰燃燒，但大比例再循環(huán)廢氣在實際中很難實現(xiàn).

El-Ghafour等[13]對GPU-3斯特林發(fā)動機進行了三維CFD仿真研究.張鋒等[14]采用數(shù)值模擬，對斯特林發(fā)動機中天然氣的燃燒進行二維模擬.

目前，斯特林發(fā)動機燃用生物柴油的試驗研究有限，且結果只限于發(fā)動機的宏觀性能，微觀的噴霧液滴粒徑分布、燃燒流場及燃燒產物組分分布特征有待通過數(shù)值模擬手段揭示.生物柴油燃燒數(shù)值模擬的難點是構建其化學反應機理.Lele 等[15]以丁酸甲酯作為生物柴油替代物，提出了一個緊湊的化學動力學機制.Neumann等[16]測定了油酸與乙醇酯化生成油酸乙酯的反應動力學.Alviso等[17]提出柴油-生物柴油-乙醇混合油的化學反應機理，新的組合方案由235種組分和 1 113 個基本反應組成.肖杰[18]等通過路徑分析及溫度敏感性分析方法得到一個適用于均質壓燃發(fā)動機的生物柴油簡化機理，包含113種物質以及306個反應.Chang等[19]提出了1種包括葵酸甲酯(MD)、5-癸烯甲酯(MD5D)和正癸烷的骨架替代機理，包含60種組分和172種反應.生物柴油斯特林發(fā)動機噴霧燃燒的三維數(shù)值模擬需考慮多種異質氣體組分、噴霧動力學、燃燒及復雜的傳熱過程，而已有的生物柴油化學反應機理大多超過100種反應，計算成本較高.

本文采用數(shù)值模擬方法對斯特林發(fā)動機燃燒生物柴油進行研究.首先，構建生物柴油的簡化化學反應機理；其次，建立考慮噴霧、燃燒和傳熱的斯特林發(fā)動機三維數(shù)值計算模型；最后，改變斯特林發(fā)動機關鍵性能參數(shù)-引射比，研究生物柴油斯特林發(fā)動機的噴霧和燃燒特性.通過研究，深化對斯特林發(fā)動機噴霧燃燒的認識，為生物柴油斯特林發(fā)動機的研究與應用提供一定參考依據.

1 生物柴油化學反應機理簡化

本文根據送檢生物柴油的C∶H∶O元素物質的量的比，構造了1個生物柴油分子式C18H34O2.采用解耦法，將詳細的H2/CO/C1子機理與極其簡化的C2-Cn子機理相耦合，構建了1個包含37組分、83個反應的簡化機理，簡稱Bio-37.

圖1為使用解耦法構建的骨架機理的主要反應路徑圖.燃料(RH)首先通過脫氫反應生成燃料基(R).受燃料分子結構影響，R存在多個同分異構體Q，為降低機理規(guī)模，只保留C-H鍵解離能最弱的R.在低溫時，只有脂肪鏈參與反應，其主要反應路徑為R→RO2→QOOH→O2QOOH→過氧化氫酮→低溫鏈分支反應.在高溫時，R通過β-裂解生成含有官能團的小分子，并將連續(xù)的β-裂解反應集總為一個反應.隨后，在機理中引入描述官能團氧化特性的反應，以預測不同燃料的氧化行為.最后，引入詳細H2/CO/C1子機理和簡化C2-C3子機理，獲得最終的骨架機理.解耦法中，詳細H2/CO/C1子機理用于預測火焰?zhèn)鞑ニ俣?、放熱率；骨架C4-Cn子機理用于預測燃料消耗、滯燃期和主要組分濃度；簡化的C2-C3子機理作為以上兩個子機理的過渡機理.應用解耦法構建的汽油、柴油、煤油、生物柴油以及醇類等燃料的簡化機理規(guī)模小，預測精度高，其有效性和合理性已被證明[18-20].

本文利用Campbell等在背壓p為7 atm(1 atm=1.01×105Pa)，溫度T為 1 100～1 400 K(1 000/T為0.71～0.91 K-1)，燃氧當量比φ為0.75和1.25條件下測得的油酸甲酯(MO)著火延遲時間ti[20]檢驗Bio-37機理.計算的初始條件如表1所示.Bio-37機理計算結果及其與試驗值的對比如圖2所示.驗證結果表明：Bio-37機理的著火延遲時間比MO試驗值短，其著火延遲時間在燃氧當量比 1.25條件下與試驗值的吻合程度比在燃氧當量比為0.75條件下好；Bio-37機理準確反映出了MO著火延遲時間隨溫度變化的趨勢.總體來說，用Bio-37機理的中高溫著火特性與大分子甲酯基本吻合.

表1 MO著火延遲的初始條件Tab.1 Initial conditions for ignition delay time of MO

為進一步驗證簡化機理的對生物柴油氧化過程的預測，基于充分攪拌反應容器(PSR)程序，用Bio-37機理預測了生物柴油在射流攪拌反應器(JSR)中主要組分的濃度演變.PSR程序普遍用于預測燃料在JSR中主要組分的濃度演變趨勢.鏈烷烴、環(huán)烷烴、脂肪酸甲酯等的JSR試驗結果均表明p<20 atm，φ=0.5～2時，PSR程序是有效的.試驗模擬的初始條件見表2，主要組分摩爾分數(shù)X與試驗值[21]對比結果見圖3.可以看出，Bio-37機理預測的CO2的摩爾分數(shù)與試驗值基本吻合，而CO、C2H4的摩爾分數(shù)偏低.總體上，所構建的Bio-37機理能較好反映生物柴油的化學反應過程.

表2 射流攪拌反應器初始條件Tab.2 Initial conditions for JSR

2 斯特林發(fā)動機燃燒計算模型

本文基于ANSYS Fluent 對斯特林發(fā)動機的噴霧、燃燒及換熱過程進行計算，研究燃燒場中的速度、溫度和組分分布.因篇幅有限，以下就幾何模型、噴霧燃燒子模型、定解條件及驗證進行簡要介紹，對基本常用控制方程不作詳細展開.

2.1 幾何模型、噴霧和湍流燃燒模型

圖4為斯特林發(fā)動機燃燒器，包括引射器、旋流室、噴油器、點火器、燃燒室、換熱管及擋焰板等.

本文研究對象為燃燒室，略去燃燒室外圍部件，并對噴油器、換熱管和引射器作簡化：引射器和再循環(huán)燃氣流道結構只保留其與旋流室連接通道，引射比則通過改變純氧和再循環(huán)廢氣的比例實現(xiàn)；加熱管部分由1個多孔介質區(qū)代替，見圖5.

本文斯特林發(fā)動機采用壓力渦旋霧化噴嘴，燃油初次破碎模型采用Senecal等[22]提出的線性不穩(wěn)定薄膜霧化模型.將初次破碎液滴作為離散相處理以 Lagrangian 法描述，氣相場作為連續(xù)相處理以Eulerian法描述，采用隨機軌道模型反映瞬時湍流振蕩對液滴軌道的影響.因斯特林發(fā)動機噴射速度不高，采用泰勒類比破碎(TAB)模型控制液滴二次破碎.霧化液滴間碰撞模型采用O’Rourke模型.

本文燃燒屬湍流擴散燃燒，采用火焰面模型作為湍流燃燒模型，耦合化學反應機理與湍流流場.火焰面模型是Peters在層流擴散火焰的研究基礎上提出并擴展到湍流擴散火焰研究中.

2.2 定解條件

生物柴油是多種脂肪酸甲酯的混合物，對于不同來源的生物柴油，成分會有差異，其物性參數(shù)會有所不同，每種生物柴油均需對成分和物性進行檢定.表3為測得的生物柴油和石化柴油的物性參數(shù)的對比.根據生物柴油物性預測模型[23]，得到生物柴油相關物性參數(shù).

邊界條件見表4所示.結合斯特林發(fā)動機燃用柴油額定功率確定標準工況條件為：噴油量15 kg/h，噴射壓力6 MPa，過量氧氣系數(shù)1.1，再循環(huán)燃氣溫度523 K.

本文分別對標準工況條件下斯特林發(fā)動機燃用石化柴油時噴霧和燃燒的計算結果進行驗證.通過對比特定時刻(噴射時刻為15 ms)噴霧形態(tài)(圖6)和噴霧貫穿距S隨噴射時刻t的高速攝影試驗及仿真結果(圖7)發(fā)現(xiàn)，本文模型可準確模擬斯特林發(fā)動機的噴霧特性. 通過對比表5給出燃燒的試驗和計算結果，發(fā)現(xiàn)擋焰板平均溫度和出口氧濃度誤差均小于4%，表明由本文模型獲得的計算結果是準確的.

表3 生物柴油與石化柴油的物性對比

表4 邊界條件Tab.4 Boundary conditions

本文經網格無關性驗證(含20～60萬網格)最后確定的計算模型總網格數(shù)為 351 750.

3 結果與分析

3.1 生物柴油與石化柴油對比

生物柴油燃料含氧，且物性與原機所用石化柴油有差異，以下對比分析生物柴油和原機所用石化柴油的燃燒特性.

圖8所示為生物柴油與石化柴油燃燒溫度場的對比.結果顯示，生物柴油和石化柴油燃燒溫度場分布規(guī)律相同，高溫區(qū)集中在中心軸線附近.較石化柴油及生物柴油無明顯低溫區(qū)，即便是在燃燒室邊緣即換熱器附近.這表明，斯特林發(fā)動機燃用含氧的生物柴油，其燃燒室內溫度均勻性更好.因此，有利于熱效率提高.

因生物柴油和石化柴油燃燒速率存在差異，所以會影響燃燒室內速度分布.圖9對比了生物柴油與石化柴油燃燒的速度v.結果顯示，兩種燃油燃燒速度分布差異不明顯，生物柴油燃燒的高速分布范圍比石化柴油略大.

圖10進一步定量給出了生物柴油與石化柴油燃燒溫度距噴孔軸向距離d的分布.可以看出，隨著d的增大，生物柴油和石化柴油的溫度均呈先快后慢增大，最后趨于平穩(wěn)的規(guī)律.距離噴嘴遠端的擋焰板處溫度最高，承受的熱負荷最大.較石化柴油，生物柴油的最高溫度明顯降低.特別地，生物柴油在擋焰板處的溫度低于石化柴油，這對于保護本項目發(fā)動機設備安全極為有利.

圖11所示為燃燒場中兩個軸向位置生物柴油與石化柴油燃燒溫度的徑向分布.圖中R為距中心軸線的徑向距離.結果表明，兩種油燃燒溫度沿徑向分布均存在高溫區(qū)；軸向位置較大(Z=115 mm)的高溫區(qū)較大，溫度也越高.較石化柴油，生物柴油高溫區(qū)溫度低，低溫區(qū)溫度高，進一步表明了生物柴油在斯特林發(fā)動機上使用時具有改善燃燒室溫度分布均勻性的效果.

3.2 引射比對生物柴油斯特林發(fā)動機燃燒室溫度速度場和組分分布的影響

圖12和圖13分別為不同引射比η時燃燒室內的溫度、速度場.結果顯示，本文斯特林發(fā)動機高溫區(qū)集中在中心軸線附近；引射比越大，燃燒室內燃燒溫度特別是最高溫度越低.這是由于引射比增大時，再循環(huán)燃氣量增大，燃氣中熱容較大的CO2和H2O降低了燃燒溫度，并改善燃燒室內溫度分布的均勻性，對保護外燃組件起到明顯作用.

此外，大引射比下，大量再循環(huán)燃氣的引入增加了燃燒室通流量，引射器噴出的高速氣流極大地推動了燃燒室內氣流的強制循環(huán)，強化了對流換熱，從而提高熱效率，如圖13所示.

圖14所示為引射比對燃燒場中溫度、速度軸向分量va的影響規(guī)律.可以看出：引射比增大時，中心軸線上的溫度降低明顯，且隨著軸向距離的增大，這種降低幅度逐漸增大，最高溫度對應軸向位置處的降低幅度最大.

引射比對速度軸向分布的影響規(guī)律則較為復雜，由于引射器噴射氣流經旋流作用進入燃燒室，所以引射氣流速度軸向分量并不一定隨引射比的增大而增大；引射比最大時，燃燒室內速度軸向分量反而最小，見圖14(b)所示.這表明，大引射比可以減小燃氣“俯沖”撞擊擋焰板，一方面可減少外燃設備的燒灼損壞；另一方面，燃氣的四周擴散強化了換熱器處的對流強度，有利于提高熱效率.

圖15所示為不同軸向位置引射比對燃燒場中溫度沿徑向分布的影響.結果顯示：不同引射比下的溫度沿徑向分布均存在高溫區(qū).較遠的軸向位置(d=115 mm)，高溫區(qū)范圍越大，對應的溫度也越高.引射比越大，高溫區(qū)越小，高溫區(qū)對應的溫度也越低.這表明，增大引射比可顯著降低燃燒室內最高溫度及減小高溫區(qū)域.

圖16所示為兩個不同軸向位置引射比對速度軸向分量徑向分布的影響.可以看出，軸向位置較大時(d=115 mm)，引射比越大，速度軸向分量沿徑向的分布范圍較寬.雖然引射比增大可增強燃燒室內氣流，但氣流的軸向速度并非隨著引射比的增大而增大，本文所計算的最大引射比(η=10)所對應的速度軸向分量反而最小.

由于引射氣流是經旋流室進入燃燒室，因此，引射氣流的速度有相當部分為周向分量.圖17所示為兩個不同軸向位置處引射比對速度周向分量vc沿徑向分布的影響.可以看出，引射比對燃燒室內速度周向分量的影響格外顯著，引射比越大，周向分量速度也越大，沿徑向的分布范圍也越寬，這有利于提高燃燒溫度分布的均勻性， 并提高換熱器位置的對流換熱強度.

圖18所示為引射比對燃燒室內組分質量分數(shù)w沿軸向分布的影響.可以看出，引射比對各組分分布的影響較為復雜.總體而言，引射比會影響并“移動”主燃區(qū)域，進而出現(xiàn)了不同引射比時組分質量分數(shù)沿軸向出現(xiàn)的偏移.引射比越大，所對應的主燃區(qū)域越靠近噴嘴，見圖中箭頭所指方向所示，這有利于減少擋焰板處溫度，防止設備灼損.

4 結論

本文采用數(shù)值模擬方法對一斯特林發(fā)動機燃用生物柴油的燃燒特性進行了研究.得到如下結論：

(1) 采用解耦法對生物柴油的化學反應機理作了簡化，得到Bio-37包含37組分，83個反應的簡化機理，構建的Bio-37機理可準確反映生物柴油的中高溫著火和氧化特性.

(2) 建立了斯特林發(fā)動機燃用生物柴油的數(shù)值計算模型，與試驗結果進行比較發(fā)現(xiàn)，模型能夠較好仿真斯特林發(fā)動機燃燒室內的噴霧燃燒過程，可準確模擬噴霧貫穿距和擋焰板溫度.

(3) 較石化柴油，斯特林發(fā)動機燃用生物柴油后，燃燒室內整體溫度略有升高，在燃燒室邊緣即換熱器附近溫度升高尤為明顯，但最高溫度下降，燃燒室內溫度均勻性更好.

(4) 引射比越大，燃燒室內燃燒溫度特別是最高溫度越低.較大的引射比所對應的主燃區(qū)域更靠近噴嘴、引射比越大，燃燒室內速度的軸向分量越小，周向分量明顯增大.

總體而言，提高引射比可降低燃燒室溫度，改善溫度分布均勻性，強化傳熱傳質，減少擋焰板熱負荷.