微粒捕集器再生用燃燒器流場特性分析*

袁文華 ， 黃雅蘭 ， 伏 軍 ， 黃啟科 ， 李光明 ， 王本亮

（1.邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.邵陽學(xué)院高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000）

柴油機(jī)微粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）是一種能夠有效降低微粒產(chǎn)物排放的后處理裝置，并且在其眾多的主動再生技術(shù)中，噴油助燃再生的燃料直接來源于柴油機(jī)自身的燃料，取用方便[1-4]，不需要消耗汽車電池所提供的能量，對柴油的含硫量沒有特定的要求[5-6]，且容易實(shí)現(xiàn)對在用車的改造。

基于課題組前期工作，為了研究旋流數(shù)對燃燒器的流場特性是如何影響的，本文提出了一種新型的雙旋流DPF再生燃燒室結(jié)構(gòu)，使用了流體仿真軟件分析了兩種燃燒室的冷態(tài)流暢特性，討論兩種供風(fēng)系統(tǒng)下速度、溫度和湍動能分布特性，為DPF噴油助燃再生燃燒器的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 模型介紹

1.1 物理模型

圖1是本文所提出的兩種供氣形式下DPF噴油助燃再生旋流燃燒器的簡化模型，其中a）為單旋流供風(fēng)時的簡化模型，其特點(diǎn)為只有一個旋流供風(fēng)入口；b）為雙旋流供風(fēng)時的簡化模型，其特點(diǎn)為擁有內(nèi)外兩個旋向相反的旋流供風(fēng)入口。按照各部分的功能不同，兩種燃燒器均可以分為油氣混合室、燃燒室、過濾體段和總排氣段四個部分。

圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

1.2 流體域模型建立

運(yùn)用三維軟件繪制出微粒捕集器用燃燒器模型，由于傳感器的安裝方式以及連接處的密封性對燃燒器內(nèi)部流體的整體流動特征影響極小，故而忽略傳感器的安裝方式和連接處的密封。

考慮壁流式蜂窩陶瓷過濾體的作用是對柴油機(jī)尾氣顆粒進(jìn)行捕集[7-8]，并不參與燃燒，在滿足數(shù)值仿真可行性的前提下，考慮計算對計算機(jī)資源的消耗，可以去掉一些不必要的環(huán)節(jié)，從而加快整個數(shù)值仿真計算的速度，因此在計算過程中將過濾體段和總排氣段看成了一個壓力出口，將其出口靜壓設(shè)置為15 kPa。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的畫法，將網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)置為0.2 mm，保證網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上。

1.3 計算模型與邊界條件

1.3.1 湍流模型

SSTk-ω湍流模型在湍流黏度方面考慮了湍流剪應(yīng)力傳播帶來的影響，能夠更精確地測量反壓力梯度引起的分離點(diǎn)和分離區(qū)大小，也會有更好的可信度和精度，由于雙旋流燃燒器的湍流流動比較復(fù)雜，所以選擇了SSTk-ω模型來模擬旋流器的流動狀態(tài)。其流動方程如式（1）和式（2）所示：

式中，Gk為湍流的動能；Gω為ω方程；Γk和Γω分別代表k和ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk和Yω分別代表k和ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω代表正交發(fā)散項(xiàng)；Sk和Sω是用戶自定義。

1.3.2 入口邊界條件

對于SSTk-ω湍流模型，湍流動能k使用近似公式來估算[9]，式（3）為近似公式：

式（3）中，uavg為平均流動速度；I為湍流強(qiáng)度。

根據(jù)式（4）計算所得湍流強(qiáng)度I：

式（4）中，ρ為流體密度；v為流體流動速率；dH為管道的特征長度；μ為動力黏滯系數(shù)。

采用相應(yīng)湍流強(qiáng)度和水力直徑來替代dH和L數(shù)值，見公式（5）：

式（5）中，A為流過截面面積；L為流動的特征長度；lc為流經(jīng)截面上流體濕潤周長，即為油氣入口截面上所流過截面的周長。

設(shè)置進(jìn)口邊界條件為速度入口，設(shè)定進(jìn)口溫度為303 K，由公式（3）～（5）計算出進(jìn)口的湍流邊界條件，包含的湍流強(qiáng)度和水力直徑，具體設(shè)置如表1所示。

2 仿真結(jié)果分析

針對燃燒模型，根據(jù)表1所示的邊界條件，分析其中心回流區(qū)、尾氣燃燒室的流場特性。

表1 入口邊界條件

2.1 旋流器數(shù)量對燃燒器內(nèi)速度的影響

回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度是常被用于評價旋流燃燒器性能的兩個指標(biāo)[10]。兩種旋流器均能形成一個穩(wěn)定的中心回流區(qū)，這個區(qū)域能夠有效加強(qiáng)油氣卷吸、混合，并且可以增加可燃混合氣在燃燒室的停留時間、將火焰穩(wěn)定在燃燒室中部，能夠提高燃燒的完全程度，并且對于降低NOx的生成量具有重要的作用。

雙旋流燃燒器的中心回流區(qū)長度明顯短于單旋流燃燒器。雙旋流燃燒器內(nèi)的中心回流區(qū)形成了一個類似于“葫蘆”的形狀，這是由于雙旋流燃燒器的內(nèi)外旋流器旋向不同，加之增加一個旋流器后空氣進(jìn)口的面積增加使得空氣進(jìn)入燃燒室后速度變低，導(dǎo)致了回流區(qū)長度明顯短于單旋流器。

燃燒器內(nèi)中心回流區(qū)的形成是由于旋流器的作用使得空氣流入時在靠近壁面的一圈形成了一圈速度較快的區(qū)域，這樣就令靠近中心軸線的區(qū)域形成了一個低壓區(qū)，這個低壓區(qū)卷吸著從排氣入口排入的柴油機(jī)尾氣，從而形成了一個穩(wěn)定的中心回流區(qū)。并且兩種旋流燃燒器在突擴(kuò)位置均能夠形成局部回流，這一塊回流區(qū)貼近燃燒器突擴(kuò)及燃燒器壁面，被稱為重附著區(qū)，這個區(qū)域的局部回流能夠有效促進(jìn)燃燒時高溫氣流將突擴(kuò)末端的空氣卷吸進(jìn)燃燒氣體內(nèi)以進(jìn)一步完成燃燒過程，突擴(kuò)的誘導(dǎo)作用加強(qiáng)了該部位的湍流強(qiáng)度，形成局部的湍流效應(yīng)和旋渦運(yùn)動，渦團(tuán)的產(chǎn)生、發(fā)展、移動和破碎加快了燃燒反應(yīng)速率或火焰?zhèn)鞑ニ俾?，有利于改善火焰末端缺氧部位的燃燒穩(wěn)定性。對兩個燃燒器的速度矢量圖進(jìn)行對比不難看出，雙旋流燃燒器的重附著區(qū)面積較單旋流燃燒器更大，即在雙旋流燃燒器突擴(kuò)位置的油氣混合及火焰穩(wěn)定性優(yōu)于單旋流燃燒器，加強(qiáng)了油氣混合區(qū)外圍的氣流擴(kuò)散運(yùn)動，對保證全局范圍內(nèi)均勻的油氣混合物的形成更為有利。

2.2 旋流器數(shù)量對排氣管中心截面速度的影響

雙旋流燃燒器形成了多個小的繞流區(qū)，而單旋流燃燒器產(chǎn)生的繞流區(qū)則更大，在繞流的作用下，尾氣入口管處會形成局部回流區(qū)，通過局部回流區(qū)內(nèi)的可燃混合氣與尾氣的摻混、燃燒與擴(kuò)散，以及對回流區(qū)外未燃?xì)怏w的不斷卷吸，可以有效維持燃燒的過程。

3 結(jié)論

1）兩種旋流器均能形成一個穩(wěn)定的中心回流區(qū)，增加旋流燃燒器供風(fēng)口的旋流數(shù)后，空氣進(jìn)口的面積增加，使得空氣進(jìn)入燃燒室后速度變低，導(dǎo)致了雙旋流燃燒器回流區(qū)長度明顯短于單旋流燃燒器。

2）兩種旋流燃燒器在突擴(kuò)位置均能夠形成重附著區(qū)，雙旋流燃燒器的重附著區(qū)面積較單旋流燃燒器更大，即在雙旋流燃燒器突擴(kuò)位置的油氣混合及火焰穩(wěn)定性優(yōu)于單旋流燃燒器，加強(qiáng)了油氣混合區(qū)外圍的氣流擴(kuò)散運(yùn)動，對保證全局范圍內(nèi)均勻的油氣混合物的形成更為有利。

3）兩種旋流器均在發(fā)動機(jī)尾氣入口管軸線兩側(cè)形成了繞流，雙旋流燃燒器形成了多個小的繞流區(qū)，而單旋流燃燒器產(chǎn)生的繞流區(qū)則更大。通過繞流促進(jìn)了可燃混合氣與尾氣的摻混、燃燒與擴(kuò)散，以及對回流區(qū)外未燃?xì)怏w的不斷卷吸，可以有效維持燃燒的過程。