不同環(huán)境下噴霧燃燒碳煙演化歷程的數(shù)值模擬

王晨辰，鄭尊清，王?滸，堯命發(fā)，章?嚴(yán)

不同環(huán)境下噴霧燃燒碳煙演化歷程的數(shù)值模擬

王晨辰，鄭尊清，王?滸，堯命發(fā)，章?嚴(yán)

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下碳煙排放特征的演變和發(fā)展，依據(jù)ECN噴霧定容燃燒實(shí)驗(yàn)中碳煙的測(cè)量數(shù)據(jù)，基于OpenFOAM開(kāi)源軟件噴霧燃燒求解器，耦合半經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)碳煙預(yù)測(cè)模型．通過(guò)-關(guān)系圖呈現(xiàn)環(huán)境因素改變對(duì)碳煙形成及氧化各階段的影響，分析各子過(guò)程的分布區(qū)域和演化規(guī)律，進(jìn)而提出環(huán)境條件對(duì)碳煙生成及演化歷程的影響機(jī)制．研究結(jié)果表明：現(xiàn)象學(xué)模型本身能夠較好地反映碳煙的分布情況．碳煙生長(zhǎng)主要發(fā)生在當(dāng)量比＞3區(qū)域；而碳煙發(fā)生氧化的區(qū)域，也是OH主要分布的區(qū)間，大多位于當(dāng)量比＜2的位置．環(huán)境溫度和密度的增加初期促進(jìn)了碳煙的成核，加劇了顆粒的聚并速率，使得顆粒數(shù)顯著下降；而環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)的增加抑制了碳煙顆粒數(shù)的增長(zhǎng)和聚并速率，使碳煙整體尺寸趨于小尺寸、高密度的分布情況．

碳煙；定容燃燒；OpenFOAM；數(shù)值模擬

隨著環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注，有害物的排放已然成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要因素之一．碳煙顆粒(PM)是內(nèi)燃機(jī)有害排放的重要組成部分，其形成原因主要是由于燃料的不完全燃燒．內(nèi)燃機(jī)排放的碳煙顆粒尺寸通常為納米級(jí)，雖然在總排放物中質(zhì)量占比不高，但數(shù)量很大，呈現(xiàn)典型的彌散性，容易長(zhǎng)期懸浮于空氣中，導(dǎo)致霧霾的產(chǎn)生．過(guò)去的排放法規(guī)主要對(duì)碳煙排放的質(zhì)量進(jìn)行限制，在歐Ⅴ及之后排放法規(guī)中，除對(duì)內(nèi)燃機(jī)顆粒排放的質(zhì)量上有了嚴(yán)格的限制外，更是要求對(duì)碳煙排放的數(shù)密度進(jìn)行控制．近期有關(guān)內(nèi)燃機(jī)排放碳煙顆粒物的研究中[1]，顆粒物粒徑和數(shù)密度逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)，也必將是今后內(nèi)燃機(jī)排放的主要研究方向之一．

碳煙的形成包含了復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，為深入分析碳煙生成機(jī)理進(jìn)而為碳煙排放控制提供理論指導(dǎo)，需要構(gòu)建碳煙生成過(guò)程的理論模型．在碳煙排放預(yù)測(cè)模型方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作，發(fā)展了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸敿?xì)模型等不同適用范圍的碳煙預(yù)測(cè)模型[2]．早期最為成熟并被廣泛應(yīng)用的碳煙模型為Hiroyasu等[3]提出的兩步法模型，通過(guò)Arrhenius公式，依據(jù)燃料的質(zhì)量分布得到碳煙的生成速率，依據(jù)碳煙的質(zhì)量分布計(jì)算碳煙的氧化速率．Wang等[4-7]在研究PAHs的生成過(guò)程時(shí)，提出了脫氫加乙炔(HACA)的反應(yīng)機(jī)理，并在后續(xù)碳煙模型的表面生長(zhǎng)過(guò)程得到了應(yīng)用和發(fā)展．Tao等[8]首次提出以乙炔為前驅(qū)物的多步現(xiàn)象學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了包含燃料熱分解、前驅(qū)物形成、碳煙初始核形成等在內(nèi)的9步法碳煙模型[9]．Jia等[10]提出了一個(gè)改進(jìn)的以乙炔為前驅(qū)物的多步法現(xiàn)象學(xué)碳煙模型，在乙烯對(duì)沖火焰中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在柴油均質(zhì)壓燃(HCCI)模式下的碳煙排放研究中得到應(yīng)用．Leung等[11]為模擬分析柴油HCCI模式碳煙的形成和氧化過(guò)程，將簡(jiǎn)化的正庚烷機(jī)理與碳煙現(xiàn)象學(xué)模型進(jìn)行耦合，并用新的模型與乙烯火焰對(duì)沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，很好地預(yù)測(cè)了乙烯火焰中碳煙的產(chǎn)量和分布情況. Vishwanathan等[12]基于Leung發(fā)展的半經(jīng)驗(yàn)碳煙模型，改用A4(pyrene)作為碳煙成核的前驅(qū)物，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了碳煙隨環(huán)境溫度和壓力變化的發(fā)展趨勢(shì)．

目前，基于半經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)模型的研究工作取得很大進(jìn)展，可以在一定程度上分析碳煙生成氧化過(guò)程的影響機(jī)制和變化規(guī)律．本文基于Vishwanathan等改進(jìn)的碳煙現(xiàn)象學(xué)模型，應(yīng)用本課題組發(fā)展的TRF/PAH簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[13]，補(bǔ)充了從苯到更大PAH芘(A4)的簡(jiǎn)化機(jī)理描述．基于以上兩種模型開(kāi)展正庚烷燃料定容燃燒噴霧實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，分析初始環(huán)境條件變化引起的碳煙生成氧化等過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)排放的數(shù)值模擬工作做準(zhǔn)備．

1?碳煙模型理論

以Tao等[8]為代表發(fā)展的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)求解質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)密度兩個(gè)輸運(yùn)方程，描述包括氣相PAH成核、表面生長(zhǎng)、顆粒間聚并以及氧化在內(nèi)的碳煙發(fā)展過(guò)程．在Vishwanathan模型中，碳煙的形成過(guò)程被描述為有關(guān)碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)soot和顆粒數(shù)密度soot的兩個(gè)輸運(yùn)方程，這里將soot輸運(yùn)方程兩邊所有項(xiàng)同除以一個(gè)歸一化因子norm，得到的兩個(gè)輸運(yùn)方程如式(1)、(2)所示：

式中：t為湍流施密特?cái)?shù)，本文設(shè)為0.7；代表單位體積混合物內(nèi)碳煙的質(zhì)量；代表載流體的動(dòng)力學(xué)黏度；nuc為單位質(zhì)量混合物中碳煙的數(shù)密度；norm為歸一化因子．為簡(jiǎn)化計(jì)算使用，本模型設(shè)為1015；而表示碳煙的熱泳系數(shù)，采用文獻(xiàn)[11]提供的公式計(jì)算得到：

其中參數(shù)為0.9．式(1)、(2)的最后一項(xiàng)為源項(xiàng)，用來(lái)描述碳煙的顆粒動(dòng)力學(xué)過(guò)程：

顆粒的動(dòng)力學(xué)描述包含成核、表面生長(zhǎng)、聚并以及OH和O2的氧化，其速率分別由式(5)中的1、2、3、4和5表示，c(s)為C元素的摩爾質(zhì)量，nuci為成核前驅(qū)物的摩爾質(zhì)量．大量研究表明[8-12]，采用A4作為碳煙成核的前驅(qū)物，用芘的二聚化描述碳煙的成核過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳煙發(fā)展趨勢(shì)的準(zhǔn)確捕捉．因此這里nuci采用A4的摩爾質(zhì)量．表面生長(zhǎng)遵守Wang等[7]的HACA規(guī)則．顆粒的凝并過(guò)程采用Smoluchowski方程描述，假設(shè)顆粒尺寸是均勻分布的，且凝并過(guò)程與顆粒的體積分?jǐn)?shù)v和顆粒的數(shù)量有關(guān)，因此顆粒數(shù)由于凝并減少的速率如下：

其中co表示碰撞速率：

假設(shè)碳煙顆粒是球形，則為2，B為玻爾茲曼常數(shù)：

碳煙受O2的氧化作用利用Nagle和Strickland-Constable(NSC)[14]模型描述，模型將碳煙顆粒表面的活性點(diǎn)位分為兩類(lèi)，一類(lèi)是活性較強(qiáng)的a點(diǎn)，占百分比為；一類(lèi)是活性較弱的b點(diǎn)，占比為1-．表面氧化速率為：

其中、a、b和z等變量分別通過(guò)以下方程求得：

其中O2為氧氣的分壓．

碳煙受OH的氧化通過(guò)Neoh等[15]的經(jīng)驗(yàn)公式描述：

2?模型驗(yàn)證

2.1?噴霧模型的驗(yàn)證

數(shù)值模擬研究基于OpenFOAM開(kāi)源軟件平臺(tái)，OpenFOAM是一款基于C＋＋語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和編譯的通用CFD平臺(tái)，具有開(kāi)源、擴(kuò)展性強(qiáng)和接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以修改和制定所需的模型和求解器，適應(yīng)不同的需求．

模擬參考的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的正庚烷單孔定容噴霧實(shí)驗(yàn)Spray-H[17]．本文中，容彈被簡(jiǎn)化為高 108mm，直徑80mm的圓柱體，噴油器設(shè)置在容彈頂部中心處，噴孔直徑0.1mm，噴油錐角為10°．網(wǎng)格數(shù)約28萬(wàn)，網(wǎng)格在靠近軸心處進(jìn)行局部加密，最小的網(wǎng)格尺寸為0.25mm，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證保證精度，定容燃燒彈模型如圖1所示．

圖1?定容燃燒彈幾何模型

本文使用OpenFOAM平臺(tái)提供的噴霧燃燒求解器sprayFoam，耦合經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)碳煙模型，選正庚烷為燃料，其余噴霧、燃燒等子模型如表1所列．

表1?主要的CFD模型

Tab.1?Main sub-models in CFD simulation

模擬燃燒前需要對(duì)噴霧基準(zhǔn)算例進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定工況為初始?jí)毫?.33MPa、環(huán)境溫度1000K、環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為0的無(wú)反應(yīng)工況，其余條件見(jiàn)表2．

表2?定容燃燒彈環(huán)境參數(shù)

Tab.2 Environmental parameters of constant volume combustion vessel

根據(jù)選定的模型和邊界條件，通過(guò)數(shù)值模擬得到Spray-H基準(zhǔn)工況下噴霧的液相貫穿距和氣相貫穿距，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比．如圖2所示．模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本吻合．

從模擬得到的數(shù)據(jù)中提取沿軸線的混合分?jǐn)?shù)，以及位于軸線坐標(biāo)20mm處、沿徑向混合分?jǐn)?shù)曲線，將兩者與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖3(a)、(b)所示，圖中虛線表示允許的誤差范圍，結(jié)果表明誤差基本在5%范圍內(nèi)．噴霧過(guò)程的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本相符，后續(xù)模擬研究均基于此噴霧設(shè)定開(kāi)展．

圖3 無(wú)反應(yīng)條件下實(shí)驗(yàn)與模擬得到的穩(wěn)定混合后燃料摩爾分?jǐn)?shù)分布

2.2?碳煙模型對(duì)比和評(píng)估

模型的選取對(duì)正確預(yù)測(cè)碳煙的發(fā)展過(guò)程至關(guān)重要．這里對(duì)幾種主流碳煙模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，如圖4所示．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為15%、初始溫度為1000K、壓力為4.27MPa的條件為基準(zhǔn)，取軸線上的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布曲線，即圖4中黑色曲線，與相同邊界條件下不同模型模擬得到的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布曲線進(jìn)行對(duì)比．

圖4?幾種碳煙模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

兩步法模型由于依據(jù)燃料的質(zhì)量計(jì)算碳煙的生成速率，忽略了成核等碳煙形成的過(guò)程，因此預(yù)測(cè)得到的碳煙分布和數(shù)值和實(shí)驗(yàn)相比，有較大差異．碳煙分布位置偏上游，分布形狀并不相似；半經(jīng)驗(yàn)多步現(xiàn)象學(xué)模型預(yù)測(cè)的碳煙分布與實(shí)驗(yàn)值更接近．Tao的九步法模型由于假設(shè)乙炔為碳煙成核前驅(qū)物的來(lái)源，預(yù)測(cè)得到的碳煙峰值偏上游；Vishwanathan等[12]采用A4作為碳煙的成核前驅(qū)物，預(yù)測(cè)的碳煙分布形狀和峰值位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近，但整體輪廓顯得更寬．

結(jié)合內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)熱力學(xué)情況，考慮以不同初始環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、氧體積分?jǐn)?shù)以及環(huán)境溫度條件為研究背景，以正庚烷為柴油替代燃料，研究碳煙生成氧化過(guò)程演化趨勢(shì)．?dāng)M選取表3所列發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境進(jìn)行模擬研究，將不同初始環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)及環(huán)境壓力條件下預(yù)測(cè)得到的碳煙空間分布情況與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，結(jié)果如圖5所示．

表3?初始環(huán)境參數(shù)

Tab.3?Initial environmental parameters

圖5中(a)、(b)和(c)分別對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分?jǐn)?shù)為10%、15%和21%三種工況點(diǎn)中模擬和測(cè)量得到的碳煙空間分布；圖5(d)為相同環(huán)境溫度下，初始氧體積分?jǐn)?shù)為15%、密度30kg/m3條件下模擬和測(cè)量得到的碳煙空間分布．可以看出，Vishwanathan模型能夠準(zhǔn)確描述Spray-H碳煙隨環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)、密度改變情況下，碳煙的體積分?jǐn)?shù)、峰值位置和空間分布的演化趨勢(shì)．

相比實(shí)驗(yàn)值，模擬得到的分布云圖略顯狹長(zhǎng)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，可能是由于氧化模型預(yù)測(cè)的O2和OH對(duì)碳煙的氧化速率較實(shí)驗(yàn)值要低．低氧體積分?jǐn)?shù)下預(yù)測(cè)得到的碳煙輪廓較實(shí)驗(yàn)值與高氧體積分?jǐn)?shù)情況誤差較大，可能原因是模型預(yù)測(cè)得到的氧化速率相比實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)的敏感性更高，低氧體積分?jǐn)?shù)下氧化速率存在一定的誤差．相比于環(huán)境密度為14.8kg/m3的工況，環(huán)境密度為30kg/m3時(shí)預(yù)測(cè)得到的碳煙體積分?jǐn)?shù)峰值與實(shí)驗(yàn)值相比偏低，且峰值位置更偏下游，這與Vishwanathan等的研究結(jié)論一致．

3?初始環(huán)境變化對(duì)碳煙分布的影響規(guī)律

3.1?碳煙生成氧化各過(guò)程的分布特性

碳煙的生成與當(dāng)?shù)貕毫?、溫度和混合氣成分密切相關(guān)．在Vishwanathan模型中，由于碳煙的成核速率依賴(lài)于A4的體積分?jǐn)?shù)，表面生長(zhǎng)速率依賴(lài)于C2H2的體積分?jǐn)?shù)，而碳煙的氧化與當(dāng)?shù)豋2和OH的體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)．由于這些關(guān)鍵氣相成分各自分布在不同的當(dāng)量比()和溫度()范圍，因此碳煙生成各過(guò)程發(fā)生的主要分布區(qū)域，其熱力學(xué)狀態(tài)與混合氣體積分?jǐn)?shù)并不一致．

在環(huán)境密度為14.8kg/m3、溫度1000K、氧體積分?jǐn)?shù)15%的初始條件下，將各網(wǎng)格中A4、C2H2和OH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以其所在網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的和值為坐標(biāo)，繪制成如圖6(a)、(b)和(c)所示的氣泡分布圖，其中氣泡的尺寸與相應(yīng)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小成正比．采用同樣方法可得到碳煙顆粒數(shù)密度，以及成核、表面生長(zhǎng)和氧化等過(guò)程的質(zhì)量變化速率在-圖中的分布．為便于分析，僅在圖7中顯示顆粒數(shù)密度在-圖中的尺寸分布，而成核、表面生長(zhǎng)等過(guò)程質(zhì)量變化量的主要分布區(qū)域(依據(jù)相應(yīng)氣泡尺寸)分別用綠色、藍(lán)色和紅色的輪廓線圈出．

對(duì)圖6中的-分布情況進(jìn)行對(duì)比，由圖6(a)、(b)和(c)可知，模型中碳煙成核的前驅(qū)物A4和表面生長(zhǎng)的主要成分C2H2均分布于＞2的區(qū)域，與此相反，OH主要分布于＜3的高溫區(qū)．C2H2在1400K＜＜2000K區(qū)間的分布相對(duì)均勻，而A4的分布更集中些．這些分布特征與圖7由上述輪廓線圈出的成核、表面生長(zhǎng)以及氧化等質(zhì)量變化速率的主要分布區(qū)域相一致．

從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，O2對(duì)碳煙的氧化不僅存在于低當(dāng)量比、高溫區(qū)域，同時(shí)也有少量存在于高當(dāng)量比區(qū)域，這與Dec[18]提出的概念模型稍有出入．實(shí)際上，Chishty等[19]的模擬結(jié)果均存在這部分由O2氧化的區(qū)域，其位于碳煙分布輪廓的上游處．

圖7?碳煙生成氧化各個(gè)階段在Φ-T圖中的主要分布

3.2?環(huán)境溫度對(duì)碳煙生成歷程的影響

環(huán)境溫度對(duì)碳煙的生成和氧化歷程均有影響．將初始環(huán)境密度為14.8kg/m3，氧體積分?jǐn)?shù)21%條件下，環(huán)境溫度分別為800K、900K、1000K以及1200K時(shí)，Spray-H的碳煙分布繪制如圖8所示．

圖8?不同環(huán)境溫度下碳煙分布區(qū)域的演化

分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度從800K增加到1200K，當(dāng)量比的峰值從3的位置依次增加到10以上．而在當(dāng)量比＜2的區(qū)域，即對(duì)應(yīng)圖7中OH氧化速率主要分布的區(qū)域，在初始環(huán)境溫度增加之后，整體分布區(qū)域當(dāng)量比并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但溫度發(fā)生了變化：圖8中0＝800K對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)，該區(qū)域(＜2的區(qū)域)整體溫度約2500K，到0＝1200K對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)，該區(qū)域整體溫度峰值約2700K.

將環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為21%、環(huán)境密度為14.8kg/m3時(shí)，初始溫度分別為1000K和1200K條件下，碳煙顆粒的增長(zhǎng)速率繪制成圖9(a)、(b)中的藍(lán)色曲線，而將碳煙顆粒由粒子間碰撞聚并導(dǎo)致數(shù)量減少的速率繪制成圖9中的紅色曲線．

圖9 環(huán)境溫度不同時(shí)顆?？倲?shù)變化速率與顆粒間聚并速率

由圖9(a)可知，環(huán)境溫度為1000K時(shí)，碳煙在噴射始點(diǎn)后約0.7ms產(chǎn)生，稍有延遲后聚并發(fā)生．起初碳煙增長(zhǎng)速率很快，達(dá)到每秒約7×1015后，隨著聚并效應(yīng)的增強(qiáng)，顆粒凈增加速率逐步衰減．如圖9(b)所示，當(dāng)環(huán)境溫度＝1200K時(shí)，碳煙成核發(fā)生在噴射始點(diǎn)后約0.5ms之前，顆粒聚并速率急劇增加到最大值，顆粒數(shù)增長(zhǎng)速率峰值增加且提前到達(dá)，隨后急劇衰減直到趨于穩(wěn)定．初始溫度的提高對(duì)碳煙的成核速率和聚并速率都起促進(jìn)作用，且對(duì)聚并的促進(jìn)作用明顯高于對(duì)成核的促進(jìn)作用．

3.3?初始氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳煙生成歷程的影響

由于內(nèi)燃機(jī)通常需要改變EGR率實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒和排放的控制，其中一個(gè)重要作用來(lái)自于EGR對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)的改變．鑒于此，分析了環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為12%、15%和21%條件下，碳煙顆粒隨氧體積分?jǐn)?shù)增加的整體發(fā)展趨勢(shì)．

在-圖中繪制了環(huán)境溫度為1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)碳煙顆粒數(shù)密度的氣泡分布圖．并用前述的輪廓線圈出該條件下各碳煙生長(zhǎng)氧化過(guò)程對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化速率的主要分布區(qū)域，如圖10(a)所示．為了對(duì)比，選取同樣環(huán)境溫度、密度下，初始氧體積分?jǐn)?shù)為12%、15%和21%時(shí)碳煙分布情況，分別繪制成圖10(b)中的紅色、黑色以及藍(lán)色散點(diǎn)圖．

圖10 碳煙生成氧化各個(gè)階段分布及隨氧體積分?jǐn)?shù)改變的演化趨勢(shì)

由圖10(b)可知，當(dāng)環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)從12%增加到21%時(shí)，整個(gè)碳煙的分布曲線呈現(xiàn)出向高溫區(qū)和高當(dāng)量比區(qū)域平移的趨勢(shì)．對(duì)應(yīng)于圖10(a)中的碳煙成核、表面生長(zhǎng)過(guò)程的質(zhì)量變化速率主要分布區(qū)域(即＞3的部分)，整體溫度升高，當(dāng)量比增大，峰值從約＝6增加到＝7附近；而在碳煙發(fā)生OH氧化的主要區(qū)域(即＜2的部分)，當(dāng)量比的增加并不明顯，相比之下溫度升高顯著：隨著氧體積分?jǐn)?shù)從12%增大到21%，該區(qū)域內(nèi)溫度整體上升了約500K.

分析環(huán)境溫度為1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分?jǐn)?shù)分別為15%和21%時(shí)碳煙顆粒的增長(zhǎng)速率曲線(圖11(a)、(b)中的藍(lán)色曲線)，以及由于粒子間碰撞聚并過(guò)程，導(dǎo)致碳煙顆粒數(shù)量減少的速率曲線(圖11(a)、(b)中的紅色曲線)．

圖11(a)中，即初始氧體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，碳煙顆粒數(shù)增長(zhǎng)的速率峰值約在3ms處，與圖11(b)中初始氧體積分?jǐn)?shù)為21%條件下的速率峰值時(shí)刻1.6ms相比有所延遲．對(duì)比可知，隨著環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒數(shù)增長(zhǎng)的速率峰值降低，聚并速率也降低．

3.4?環(huán)境密度對(duì)碳煙生成歷程的影響

環(huán)境壓力(密度)對(duì)燃燒和碳煙具有重要影響，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)進(jìn)氣壓力進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，因此有必要研究因環(huán)境壓力(密度)變化引起的碳煙發(fā)展變化趨勢(shì)．考慮在環(huán)境溫度為1000K、O2體積分?jǐn)?shù)為15%條件下，將初始密度分別為14.8kg/m3和30kg/m3工況對(duì)應(yīng)的碳煙分布情況在-圖中用散點(diǎn)描述，如圖12所示．

圖12?不同初始環(huán)境密度下碳煙分布區(qū)域的演化

結(jié)合圖10(a)和圖12分析，隨著環(huán)境密度從14.8kg/m3增加到30kg/m3，在＞2處，即對(duì)應(yīng)圖10(a)中碳煙成核、表面生長(zhǎng)區(qū)域，當(dāng)量比增大，其峰值從＝6.3處增加到＝8附近．當(dāng)量比的增加促進(jìn)了碳煙的生成．在＜2區(qū)間，即對(duì)應(yīng)圖10(a)中OH氧化碳煙的主要分布區(qū)域，環(huán)境密度的增加并不改變?cè)搮^(qū)域的當(dāng)量比．

考慮因環(huán)境密度改變引起的碳煙顆粒在數(shù)量上的演化趨勢(shì)，圖13(a)、(b)中分別繪制了環(huán)境密度14.8kg/m3和30kg/m3條件下，碳煙總顆粒數(shù)增加速率曲線(藍(lán)線)與由于顆粒間聚并效應(yīng)引起的顆粒數(shù)減少速率曲線(紅線)．對(duì)比不同密度下的顆粒數(shù)量變化速率，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境密度的增大，碳煙開(kāi)始生成時(shí)間從噴油始點(diǎn)后約1ms提前到約0.7ms，顆粒增長(zhǎng)速率峰值從每秒約2.4×1016提高到4.6×1016，聚并速率則增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)．由于聚并速率的急劇增加，碳煙顆粒數(shù)增長(zhǎng)速率迅速達(dá)到峰值并趨于衰減．環(huán)境密度的增加在初期促進(jìn)了顆粒的成核過(guò)程，而在中期提高了碳煙顆粒的聚并速率．

圖13 環(huán)境密度不同時(shí)顆?？倲?shù)變化速率與顆粒間聚并速率

4?結(jié)?論

本文基于OpenFOAM開(kāi)源軟件平臺(tái)提供的噴霧燃燒求解器耦合半經(jīng)驗(yàn)多步現(xiàn)象學(xué)模型，研究了碳煙生成氧化各個(gè)階段在-關(guān)系圖中的分布特性，以及初始環(huán)境條件(環(huán)境溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和環(huán)境壓力)對(duì)碳煙生成和演化歷程的影響．主要結(jié)論如下：

(1) 依據(jù)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紵熡捎谄涑珊恕⒈砻嫔L(zhǎng)以及氧化過(guò)程產(chǎn)生的質(zhì)量變化速率，受關(guān)鍵參與組分的影響，分布在不同的當(dāng)量比-溫度區(qū)間．

(2) 環(huán)境溫度的增大提高了碳煙生成區(qū)域(主要分布在＞3區(qū)間)的整體當(dāng)量比，同時(shí)增加了碳煙受OH氧化的區(qū)域(主要分布在＜2區(qū)間)的溫度．

(3) 環(huán)境密度的增加使得碳煙生成區(qū)域(主要分布在＞3區(qū)間)的整體當(dāng)量比提高，溫度不變．而碳煙受OH氧化的區(qū)域(主要分布在＜2區(qū)間)基本不受影響．

(4) 環(huán)境溫度和密度的增加對(duì)碳煙的成核以及聚并過(guò)程起促進(jìn)作用，且對(duì)聚并過(guò)程的影響遠(yuǎn)比成核作用更顯著．

(5) 隨環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)的增加，總體碳煙顆粒數(shù)增長(zhǎng)速率和聚并速率降低．由于碳煙生長(zhǎng)區(qū)域整體當(dāng)量比增加，前驅(qū)物的體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增大，顆粒數(shù)密度峰值增大．

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Numerical Simulation of Soot Evolution in Spray Combustion Under Different Ambient Environments

Wang Chenchen，Zheng Zunqing，Wang Hu，Yao Mingfa，Zhang Yan

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Aimed at the soot formation and evolution under different diesel engine operation conditions，this study is carried out based on the measured data of soot generated in constant volume spray combustion by the engine combustion network(ECN). The combustion solver based on an open source CFD platform (OpenFOAM)is employed and the classical phenomenological multi-step soot model is coupled in the numerical simulation. The effect of ambient conditions on each soot sub-formation and oxidation process is revealed through the-diagram，and the distribution region and evolution of soot formation process are analyzed，with the aim of proposing the influencing mechanism of initial operation conditions on soot formation and oxidation. The results show that the phenomenological soot model can well predict the distribution of soot. The surface growth region of soot is mainly located in the area with the equivalence ratio greater than 3.0. The oxidation region is mainly distributed in the area with the equivalence ratio smaller than 2.0，which is also the main distribution area of OH species. The increase in ambient temperature and density promotes both nucleation and the coagulation rate and reduces the particle number density. The increase in ambient oxygen volume fraction suppress both nucleation and the coagulation rate，thus resulting in smaller size and higher density distribution of soot particles.

soot；constant volume combustion；OpenFOAM；numerical simulation

TK42

A

1006-8740(2022)04-0423-10

10.11715/rskxjs.R202206009

2022-01-07.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976134；51876140).

王晨辰（1990—??），男，博士研究生，1017201074@tju.edu.cn.

鄭尊清，男，博士，教授，zhengzunqing@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)