正十二烷噴霧火焰大渦模擬研究

趙萬輝，孫 婷，衛(wèi)海橋，周 磊

(1. 中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2. 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，天津 300350)

近年來，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)基于定容燃燒彈開展了大量的正十二烷噴霧火焰試驗(yàn)．Gimeno等[1]對(duì)于正十二烷冷態(tài)噴霧及噴霧火焰的研究相對(duì)較早，他們開展了不同運(yùn)行參數(shù)(環(huán)境溫度和密度等)對(duì)噴霧發(fā)展過程的影響研究．Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并將標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)結(jié)果(氣相、液相噴霧貫穿距和火焰浮起長(zhǎng)度等)公布到Engine Combustion Network(ECN)[2]網(wǎng)站上，方便全世界的研究學(xué)者訪問．國(guó)內(nèi)方面，倪兆靜等[3]探究了液滴蒸發(fā)過程．賀鵬飛等[4]在試驗(yàn)中探究了噴霧火焰燃燒和碳煙顆粒的形成，發(fā)現(xiàn)低氧體積分?jǐn)?shù)條件下碳煙顆粒氧化過程明顯受到抑制，顆粒平均直徑和團(tuán)聚物回轉(zhuǎn)半徑明顯增大；而碳煙的生成區(qū)域還會(huì)受到燃油溫度的影響．之前的研究有助于理解噴霧火焰中涉及的復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，并為高效數(shù)值仿真計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)．然而受限于拍攝精度、拍攝頻率等因素，試驗(yàn)手段獲得的結(jié)果仍非常有限．計(jì)算流體力學(xué)方法有助于進(jìn)一步理解噴霧火焰的時(shí)間和空間發(fā)展過程．

雷諾平均(RANS)和大渦模擬(LES)方法廣泛應(yīng)用于噴霧火焰的模擬中．與RANS方法相比，LES方法能夠以可接受的計(jì)算量捕捉到更細(xì)的湍流渦結(jié)構(gòu)、褶皺火焰結(jié)構(gòu)、噴霧火焰中局部多點(diǎn)和多階段著火過程以及火焰穩(wěn)定等現(xiàn)象，在模擬噴霧火焰燃燒過程方面極具潛力[5-7]．噴霧火焰中的多階段著火現(xiàn)象可以利用關(guān)鍵組分(如CH2O、H2O2和OH等)的產(chǎn)生和消耗來進(jìn)行區(qū)分[8]．在噴霧中出現(xiàn)高溫著火之前，燃料分子發(fā)生脫氫裂解反應(yīng)，隨后經(jīng)歷加氧、分子異構(gòu)化等過程后產(chǎn)生酮類過氧化物RO2，并伴隨著CH2O、H2O2等組分的快速累積，表明噴霧中發(fā)生一階段反應(yīng)．受混合氣活性和初始工況的影響，在低溫條件下，一階段著火可以從稀薄混合氣區(qū)域過渡到濃混合氣區(qū)域，而在低氧體積分?jǐn)?shù)、高溫或高密度條件下，油、氣混合受到限制，一階段著火只能出現(xiàn)在濃混合氣區(qū)域．由于大渦模擬方法需要采用更加精細(xì)的網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算資源的需求顯著增大．自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)只需對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，在一定程度上減少了計(jì)算量，然而總的計(jì)算量仍然非常巨大．另外，模擬湍流燃燒過程時(shí)需要采用合適的湍流燃燒模型對(duì)能量方程和組分方程封閉，這些模型進(jìn)一步增加了計(jì)算量，并提高了湍流燃燒模擬過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致大渦模擬方法的應(yīng)用仍存在一定局限性，利用大渦模擬方法研究復(fù)雜幾何形狀燃燒室燃燒過程仍存在巨大挑戰(zhàn)．

正十二烷具有與柴油更加接近的碳鏈長(zhǎng)度和沸點(diǎn)，以正十二烷為替代燃料能夠更加準(zhǔn)確地貼近柴油的蒸發(fā)和混合過程．近年來對(duì)正十二烷噴霧火焰的模擬已然成為研究熱點(diǎn)[5,9]．Zhang等[10]探究了湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用對(duì)噴霧自燃和噴霧火焰結(jié)構(gòu)的影響．Zhao等[11]探究了兩次噴射中噴霧與火焰之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)兩次噴射的燃油與火焰存在較強(qiáng)的相互作用，其中預(yù)先噴射的燃油中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可以引起溫度升高，并產(chǎn)生不同中間組分，如OH和CH2O等．以上因素均會(huì)加速二次噴霧著火過程，并且初次噴霧引起的溫升發(fā)揮最主要的作用．Kaario等[12]以正十二烷噴霧為基礎(chǔ)，探究了甲烷氛圍下雙燃料噴霧火焰的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)盡管初始環(huán)境中的甲烷會(huì)在不同程度上推遲噴霧著火，正十二烷噴霧火焰和雙燃料火焰中混合氣的著火過程均可以分為湍流混合、低溫燃燒、高溫燃燒和高溫?cái)U(kuò)散火焰等區(qū)域．目前國(guó)內(nèi)對(duì)正十二烷噴霧火焰大渦模擬研究較少，王利民等[13]探究了不同溫度條件下正十二烷噴霧的燃燒過程，但仍缺少對(duì)低溫燃燒策略典型工況(低氧體積分?jǐn)?shù)、高壓縮比(高環(huán)境密度))條件下噴霧著火和火焰發(fā)展過程的深入探究，同時(shí)對(duì)正十二烷噴霧火焰穩(wěn)定過程的預(yù)測(cè)精度也需要做出進(jìn)一步評(píng)價(jià)．因此，筆者旨在進(jìn)一步闡明當(dāng)前大渦模擬方法對(duì)寬工況范圍內(nèi)正十二烷噴霧火焰的預(yù)測(cè)精度，并探究環(huán)境變量，如溫度、氧體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境密度及噴油壓力對(duì)噴霧著火和火焰穩(wěn)定過程的影響規(guī)律．另外，文獻(xiàn)[7]中LESLEM模型被應(yīng)用到正庚烷噴霧燃燒過程模擬研究中，并能夠較好地預(yù)測(cè)寬工況正庚烷噴霧混合氣形成、著火和燃燒過程．正庚烷噴霧工況與正十二烷有很大不同，筆者在該研究的基礎(chǔ)上展開，同時(shí)在不需要對(duì)噴霧模型和湍流燃燒模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改的前提下進(jìn)行模擬研究，并驗(yàn)證了當(dāng)前具有高階精度的仿真計(jì)算平臺(tái)——LES-LEM模型在廣泛工況下的適用性．

1 模型參數(shù)設(shè)置與驗(yàn)證

1.1 參數(shù)設(shè)置及模擬工況介紹

計(jì)算域是一個(gè)高為100mm、直徑為30mm的圓柱，所采用的網(wǎng)格總數(shù)約為8×105．燃油從圓柱形計(jì)算域頂端中心位置向外噴射．試驗(yàn)中，噴油參數(shù)的設(shè)置如表1所示；計(jì)算域中初始環(huán)境溫度、氧體積分?jǐn)?shù)和環(huán)境密度等參數(shù)設(shè)置如表2所示，且與ECN網(wǎng)站試驗(yàn)工況保持一致．表3為噴霧模型、差分格式和燃燒模型．其中壁面邊界條件為無滑移邊界條件．化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用Yao等[14]的包含54種組分和269步化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，該機(jī)理可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)噴霧著火過程，特別是在低溫、低氧體積分?jǐn)?shù)條件下的模擬結(jié)果明顯優(yōu)于其他機(jī)理，因而被廣泛應(yīng)用于正十二烷噴霧火焰的模擬當(dāng)中[15]．

表1 噴油參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters for spray modeling

表2 參數(shù)設(shè)置Tab.2 Numerical setting

表3 模型選擇Tab.3 Settings for numerical models

1.2 控制方程簡(jiǎn)介

大渦模擬方法是在KIVALES模型[16]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來．基本控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等．

式中：ρ、u、t、e和分別為密度、速度、時(shí)間、內(nèi)能和壓力；sgs為亞網(wǎng)格尺度變量；τij、和分別為黏性應(yīng)力、熱通量、亞網(wǎng)格分子輸運(yùn)和亞格子顯焓；和分別為噴霧產(chǎn)生的液滴阻力源項(xiàng)、化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)及噴霧源項(xiàng)．為避免重復(fù)，只列出了部分控制方程，其他方程及求解過程參見文獻(xiàn)[7]．

1.3 模型驗(yàn)證

之前的研究[7]表明，當(dāng)前大渦模擬方法適合模擬不同環(huán)境工況下的冷態(tài)噴霧以及噴霧火焰發(fā)展過程．對(duì)于未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的正十二烷冷態(tài)噴霧，在不同噴油壓力條件下，當(dāng)前方法得到的氣相噴霧貫穿距模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，同時(shí)不同位置上燃油的濃度分布結(jié)果也與試驗(yàn)結(jié)果非常接近[6]．圖1給出了不同工況下著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度的模擬與試驗(yàn)結(jié)果．著火延遲期(ID)定義為計(jì)算域中最高溫度達(dá)到著火溫度Tign對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，其中Tign定義為

圖1 不同工況下著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度結(jié)果Fig.1 Ignition delay times and flame lift-off lengths under different conditions

式中：Tamb與Tmax分別代表環(huán)境氣體的初始溫度以及噴霧火焰達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)計(jì)算域內(nèi)的最高溫度[17]．

火焰浮起長(zhǎng)度(LOL)是指噴霧火焰上游位置溫度達(dá)到著火溫度Tign的點(diǎn)到達(dá)噴孔處的最小距離．LOL表示準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，噴霧中高溫反應(yīng)區(qū)最上游位置基本保持不變，此時(shí)燃油蒸發(fā)與燃燒過程相平衡，火焰達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)．從圖1中還可以看出增加氧體積分?jǐn)?shù)或者提高環(huán)境密度均會(huì)導(dǎo)致LOL縮短．

當(dāng)前大渦模擬方法整體上能夠捕捉正十二烷噴霧著火過程隨初始條件的變化趨勢(shì)，即溫度升高、氧體積分?jǐn)?shù)升高或者環(huán)境密度升高都會(huì)導(dǎo)致著火提前、火焰浮起長(zhǎng)度縮短．在高溫、高密度條件下著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度模擬結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近，而在不同氧體積分?jǐn)?shù)條件(圖1a)下，預(yù)測(cè)結(jié)果比試驗(yàn)值略低，這與該化學(xué)反應(yīng)機(jī)理活性較強(qiáng)有關(guān)，混合氣更容易著火．而在低密度條件(圖1b)下，著火延遲期預(yù)測(cè)值比試驗(yàn)值略高，該工況下環(huán)境密度比較低，混合氣活性下降．

圖2 對(duì)比了算例1基礎(chǔ)工況模擬得到的碳煙結(jié)果和噴霧內(nèi)密度分布．相同工況下試驗(yàn)結(jié)果中包含了CH2O和多環(huán)芳烴(PAH)的濃度分布，而在模擬采用的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理中不包含PAH組分，因而利用C2H2來定性地比較碳煙圖像．從圖2中可以看到，C2H2主要分布在下游位置，與試驗(yàn)結(jié)果中的組分分布趨勢(shì)保持一致．同時(shí)，密度分布的紋影結(jié)果來自ECN網(wǎng)站，試驗(yàn)工況與模擬算例相同．從紋影圖中可以看出，火焰前端位置與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致．因此，模擬結(jié)果較好地捕捉了組分分布、火焰前端位置．

圖2 在環(huán)境溫度為900K、0.7ms時(shí)刻算例1碳煙試驗(yàn)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果及密度分布的紋影圖片和模擬結(jié)果對(duì)比Fig.2 Distributions of soot experiments and soot mass fraction numerical results，as well as density from schlieren images and simulations at 0.7ms，900K of Case 1

2 結(jié)果分析與討論

2.1 初始氧體積分?jǐn)?shù)的影響

圖3展示了噴霧火焰發(fā)展過程．可以發(fā)現(xiàn)，在1.0ms時(shí)刻噴霧火焰已經(jīng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，火焰浮起長(zhǎng)度與1.5ms時(shí)刻下的數(shù)值相差不大．之前的研究[18]表明，初始環(huán)境中氧體積分?jǐn)?shù)決定著噴霧火焰中OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最高值，即氧體積分?jǐn)?shù)的升高有助于促進(jìn)OH生成，并使得最高溫度明顯升高，混合氣活性增強(qiáng)．混合物分?jǐn)?shù)體現(xiàn)了燃油分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[19]．混合物分?jǐn)?shù)為0代表氧化劑(空氣)，混合物分?jǐn)?shù)為1表示純?nèi)剂希?/p>

圖3 900K溫度條件下算例1火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.3 Comparison of flame structures of Case 1 at 900K

圖4 對(duì)比了不同氧體積分?jǐn)?shù)條件下正十二烷噴霧火焰的著火過程．需要注意的是，ECN網(wǎng)站上僅給出了13%、15%和21%氧體積分?jǐn)?shù)條件下的著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，并未給出10%氧體積分?jǐn)?shù)條件下的試驗(yàn)結(jié)果．但由于發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃燒模式中多采用高EGR率，氧體積分?jǐn)?shù)較低，為了保證燃料在低氧體積分?jǐn)?shù)條件下能夠穩(wěn)定著火，探究低氧體積分?jǐn)?shù)條件下的著火過程十分必要．為此，圖4中增加了10%氧體積分?jǐn)?shù)條件下的著火過程．該工況下溫度、壓力、環(huán)境密度和噴油壓力均與15%氧體積分?jǐn)?shù)工況保持一致．但由于缺少著火延遲期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而未在圖1a中畫出．圖4中彩色散點(diǎn)代表H2O、H2、CO2和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和，可以用反應(yīng)進(jìn)度標(biāo)量C來表示．隨著氧體積分?jǐn)?shù)的升高，溫度開始升高以及高溫反應(yīng)出現(xiàn)的時(shí)刻提前，火焰浮起長(zhǎng)度縮短，導(dǎo)致濃混合氣參與高溫反應(yīng)的量增多．

圖4 不同氧體積分?jǐn)?shù)條件下的著火過程Fig.4 Ignition process under different oxygen volume fraction conditions

圖5顯示氧體積分?jǐn)?shù)降低后噴霧火焰中反應(yīng)進(jìn)度緩慢，溫度升高速率明顯降低．低氧體積分?jǐn)?shù)條件下火焰浮起長(zhǎng)度變長(zhǎng)，油、氣混合更佳，但是噴霧火焰中仍然存在著濃混合氣參與高溫反應(yīng)的現(xiàn)象．當(dāng)初始氧體積分?jǐn)?shù)降低至8%時(shí)，混合氣活性較差，放熱過程趨緩，最高燃燒溫度明顯降低．但是噴霧火焰仍然呈現(xiàn)出準(zhǔn)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，火焰浮起長(zhǎng)度(圖6中白色虛線)幾乎不隨時(shí)間變化．不同工況條件下，火焰浮起長(zhǎng)度的變化反映了環(huán)境溫度、氧體積分?jǐn)?shù)以及環(huán)境密度對(duì)火焰穩(wěn)定過程的影響規(guī)律．在低溫、低氧體積分?jǐn)?shù)或者低環(huán)境密度條件下，高溫反應(yīng)難以在上游位置出現(xiàn)，火焰浮起長(zhǎng)度更長(zhǎng)，在這些工況下著火推遲，說明不利于噴霧火焰更早地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．

圖5 不同氧體積分?jǐn)?shù)條件下算例3～5火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.5 Comparison of flame structures of Cases 3—5 under different oxygen volume fraction conditions

圖6 8%氧體積分?jǐn)?shù)條件下算例2火焰結(jié)構(gòu)Fig.6 Flame structures of Case 2 under 8%O2 volume fraction condition

噴霧著火延遲期較短(小于噴油持續(xù)期)時(shí)，燃燒室內(nèi)的燃油存在著邊蒸發(fā)邊燃燒的現(xiàn)象．燃油蒸發(fā)量可以反映出燃燒室內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的程度和起始時(shí)刻．對(duì)于未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的工況，燃燒室內(nèi)各個(gè)單元燃油累計(jì)蒸發(fā)質(zhì)量隨時(shí)間單調(diào)升高；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)以后，燃油質(zhì)量停止升高的點(diǎn)即代表了燃油消耗速率超過了蒸發(fā)速率的時(shí)刻．圖7所示氧體積分?jǐn)?shù)降低導(dǎo)致著火推遲，因而噴油結(jié)束前燃油蒸發(fā)質(zhì)量停止升高的時(shí)刻推遲；同時(shí)，在13%至21%氧體積分?jǐn)?shù)條件下，燃油蒸發(fā)質(zhì)量存在著超過1ms的穩(wěn)定時(shí)刻，說明在此期間(0.2ms到1.5ms)，燃油的蒸發(fā)過程與消耗過程存在著平衡關(guān)系，溫度較低的燃油蒸發(fā)之后迅速參與化學(xué)反應(yīng)．

圖7 溫度為900K時(shí)不同氧體積分?jǐn)?shù)下燃油蒸發(fā)質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.7 Temporal evolution of fuel evaporation mass at 900K under different oxygen volume fraction conditions

升高氧體積分?jǐn)?shù)可以明顯提高噴霧火焰中的溫度，并有助于加快化學(xué)反應(yīng)速率，使得碳煙氧化過程加快．Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)，21%氧體積分?jǐn)?shù)條件下噴霧火焰中的碳煙出現(xiàn)時(shí)刻更早、峰值濃度更高，且分布在更細(xì)小的空間內(nèi)．最終的碳煙生成量是其生成與氧化過程相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果．高氧體積分?jǐn)?shù)條件下噴霧火焰著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度均明顯縮短，有限的油、氣混合時(shí)間是造成碳煙排放較高的重要原因．圖8a顯示正十二烷噴霧燃燒過程中整個(gè)計(jì)算域內(nèi)甲醛生成總量隨時(shí)間變化，甲醛質(zhì)量的升高表明燃燒室內(nèi)甲醛的生成速率大于消耗速率．10%氧體積分?jǐn)?shù)條件下的著火延遲期為0.74ms，而甲醛質(zhì)量開始下降的時(shí)刻大約發(fā)生在1.1ms時(shí)刻以后，此時(shí)噴霧內(nèi)部出現(xiàn)大量的高溫反應(yīng)，導(dǎo)致火焰內(nèi)部溫度快速升高，使得化學(xué)反應(yīng)速率加快，在1.1ms時(shí)刻以后，甲醛的消耗速率明顯高于生成速率，因而甲醛質(zhì)量開始下降．圖8b顯示了1.5ms(噴油結(jié)束)時(shí)刻后碳煙質(zhì)量與初始氧體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出非單調(diào)變化趨勢(shì)，這主要是與噴油結(jié)束前燃油消耗的量、噴霧火焰與空氣的接觸面積有關(guān)．Chishty等[15]基于輸運(yùn)概率密度函數(shù)探究正十二烷噴霧火焰碳煙生成過程時(shí)也發(fā)現(xiàn)，碳煙質(zhì)量與氧體積分?jǐn)?shù)的變化呈非單調(diào)變化趨勢(shì)．由于氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳煙生成的影響更加復(fù)雜，氧體積分?jǐn)?shù)的變化不僅改變了混合氣的濃度，火焰的溫度和碳煙的氧化速率均隨著氧體積分?jǐn)?shù)的升高而有所提升．混合氣活性的提高導(dǎo)致著火提前，隨后大量的濃混合氣參與高溫反應(yīng)從而產(chǎn)生大量碳煙．與此同時(shí)，火焰溫度升高加快碳煙氧化速率．整體上碳煙的生成過程與氧化過程的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系決定了最終的碳煙排放水平．另外，甲醛質(zhì)量隨著初始氧體積分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)出單調(diào)變化趨勢(shì)，并與碳煙的排放水平形成鮮明對(duì)比．對(duì)于13%、15%和21%氧體積分?jǐn)?shù)條件下，著火延遲期相差不大，均小于0.5ms．盡管降低氧體積分?jǐn)?shù)后導(dǎo)致混合氣活性下降，由于此時(shí)混合氣活性仍然較強(qiáng)，一階段著火出現(xiàn)時(shí)刻仍然比較早，造成CH2O大量累積．當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)降至10%時(shí)，著火過程明顯推遲，一階段著火過程受到抑制．

圖8 溫度為900K時(shí)不同氧體積分?jǐn)?shù)下甲醛和碳煙質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.8 Temporal evolution of CH2O and soot mass at 900K under different oxygen volume fraction conditions

2.2 初始環(huán)境密度和噴油壓力的影響

高環(huán)境密度(或壓力)條件下，分子間的碰撞頻率提高，混合氣活性增強(qiáng)．冷態(tài)的燃油液滴噴入到高溫、高壓和高密度環(huán)境中，迅速蒸發(fā)形成可燃混合氣，并以較高速度向下游運(yùn)動(dòng)．圖9顯示了整個(gè)燃燒室內(nèi)早期蒸發(fā)的燃油質(zhì)量受環(huán)境密度的影響較?。邷胤磻?yīng)是造成燃油快速消耗的重要因素，并且在噴油結(jié)束前，燃油的消耗與蒸發(fā)基本保持平衡，蒸發(fā)的燃油迅速參與高溫反應(yīng)，分子鏈斷裂產(chǎn)生大量的OH基團(tuán)．在0.2ms時(shí)刻左右，高密度條件下燃油累積質(zhì)量升高趨勢(shì)有所放緩；而在低密度條件下曲線的升高速率放緩的時(shí)刻略有推遲．圖10顯示了低環(huán)境密度(15.2kg/m3)條件下的火焰發(fā)展情況，高環(huán)境密度(22.8kg/m3)下的火焰發(fā)展參考圖3．對(duì)比圖3和圖10可以發(fā)現(xiàn)，低密度條件下噴霧火焰高溫反應(yīng)區(qū)明顯位于下游位置，火焰浮起長(zhǎng)度變長(zhǎng)．

圖9 不同環(huán)境密度下算例1和6燃油蒸發(fā)質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.9 Temporal evolution of fuel evaporation mass under different ambient density conditions of Cases 1 and 6

圖10 低環(huán)境密度為15.2kg/m3工況下算例6火焰結(jié)構(gòu)Fig.10 Flame structures of Case 6 under a low ambient density of 15.2kg/m3 condition

不同環(huán)境密度條件下正十二烷噴霧火焰著火過程如圖11所示．高溫著火位置首先出現(xiàn)在噴霧火焰的前端溫度和混合氣分?jǐn)?shù)均比較合適的區(qū)域，高溫著火出現(xiàn)后，高溫反應(yīng)區(qū)快速向上游方向發(fā)展，并逐漸形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)．此時(shí)由于火焰浮起長(zhǎng)度縮短，濃混合氣開始參與高溫反應(yīng)，并引起溫度升高．

圖11 不同環(huán)境密度條件下溫度-混合物分?jǐn)?shù)散點(diǎn)Fig.11 Scatters of temperature-mixture fraction under different ambient density conditions

采用高壓噴射有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、熱效率和排放特性，因而高壓噴射受到了廣泛的關(guān)注．噴油壓力過高導(dǎo)致油束向下游運(yùn)動(dòng)速度過快，極易引起噴霧撞壁，造成發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降和排放變差．Liu等[21]研究表明，高壓噴射可以引起油、氣過度混合，從而導(dǎo)致著火失敗．因而有必要深入探究不同噴油壓力條件下噴霧著火過程，試驗(yàn)工況設(shè)置如表2中算例8～10所示．圖12顯示不同噴油壓力下算例7～9的燃油噴射速率．筆者深入開展了初始環(huán)境溫度為800K、氧體積分?jǐn)?shù)為21%條件下正十二烷噴霧火焰著火過程大渦模擬．

圖12 不同噴油壓力下算例7～9燃油噴射速率Fig.12 Rate of injection of Cases 7—9 with different injection pressures

圖13 對(duì)比了不同噴油壓力下的火焰著火延遲期(ID)和火焰浮起長(zhǎng)度．可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大渦模擬方法對(duì)著火過程的預(yù)測(cè)值偏低，而火焰浮起長(zhǎng)度模擬結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近，特別是在噴油壓力為50MPa時(shí)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值偏差的最小值約為5%．大渦模擬方法可以捕捉噴霧火焰瞬態(tài)燃燒特征，如早期噴霧尾端的自燃點(diǎn)與主火焰合并的瞬態(tài)過程，更容易造成對(duì)著火延遲期的預(yù)測(cè)偏低，綜合來看偏差在20%以內(nèi)均是合理的[22]．總之，當(dāng)前模型可以捕捉噴油壓力對(duì)著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度的影響規(guī)律，即升高噴油壓力對(duì)著火過程的影響較小，卻能延長(zhǎng)火焰浮起長(zhǎng)度．

圖13 不同噴油壓力下算例8～10著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度Fig.13 Ignition delay and flame lift-off lengths of Cases 8—10 with different injection pressures

Chishty等[15]對(duì)比了不同初始環(huán)境溫度條件下的著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度，并探究了不同數(shù)值模擬方法(輸運(yùn)概率密度函數(shù)和均質(zhì)混合氣模擬性)以及不同化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的影響表明，由于Yao等[14]的機(jī)理在較低溫度條件下反應(yīng)活性較強(qiáng)，有助于改善對(duì)于較低溫度，如850K條件下著火過程的預(yù)測(cè)．然而對(duì)于溫度更低的800K工況，以上方法均難以給出令人滿意的結(jié)果．Blomberg等[23]對(duì)比了雷諾平均和大渦模擬方法的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用LES可以更早捕捉到噴霧中多點(diǎn)著火現(xiàn)象，在模擬噴霧著火過程方面更具優(yōu)勢(shì)．

圖14 對(duì)比了1.5ms時(shí)刻不同噴油壓力條件下的火焰結(jié)構(gòu)．在相同噴射時(shí)間內(nèi)，高噴油壓力下噴入燃燒室的燃油更多，霧化后的油束動(dòng)能更高，速度更快，同時(shí)可燃混合氣更多．因此，噴油壓力為150MPa條件下的噴霧火焰面積更大，高溫火焰區(qū)域到噴孔的距離更遠(yuǎn)．圖15為不同噴油壓力條件下混合氣溫度與混合物分?jǐn)?shù)分布．從噴孔噴出的大量液滴以非常高的速度向下游運(yùn)動(dòng)，在火焰浮起長(zhǎng)度位置處燃油蒸發(fā)與消耗達(dá)到平衡狀態(tài)．在噴油壓力為150MPa條件下，噴出的燃油更多，蒸發(fā)過程吸收大量的熱，導(dǎo)致溫度降低，不利于早期氧化過程產(chǎn)物累積，并且高速運(yùn)動(dòng)的油束推動(dòng)反應(yīng)區(qū)向下游運(yùn)動(dòng)，使得濃油區(qū)(混合物分?jǐn)?shù)Z大于0.15)參與高溫反應(yīng)的量明顯減少，油、氣混合過程得到改善，有助于減少碳煙排放．

圖14 1.5ms時(shí)刻不同噴油壓力下火焰結(jié)構(gòu)Fig.14 Flame structures with different injection pressures at 1.5ms

圖15 標(biāo)記了反應(yīng)進(jìn)度標(biāo)量C的T-Z散點(diǎn)Fig.15 Scatters in the T-Z space colored by progress variable C

3 結(jié)論

(1) 基于大渦模擬方法探究了不同氧體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境密度和噴油壓力條件下正十二烷噴霧著火和火焰發(fā)展過程，并闡明了火焰結(jié)構(gòu)以及主要組分分布受不同工況的影響規(guī)律．

(2) 證實(shí)具有高階精度的LES-LEM模型在寬工況范圍內(nèi)具有廣泛適用性；在高氧體積分?jǐn)?shù)條件下，燃燒區(qū)域溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快；同時(shí)高氧體積分?jǐn)?shù)下混合氣活性更高，導(dǎo)致火焰的浮起長(zhǎng)度縮短，限制了燃油與空氣的混合時(shí)間，存在大量的濃混合氣區(qū)域；最終碳煙的排放是其氧化過程和生成過程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，高氧體積分?jǐn)?shù)條件下碳煙氧化過程發(fā)揮的作用更大，整體碳煙排放水平下降．

(3) 降低環(huán)境密度會(huì)導(dǎo)致著火推遲，使得油、氣混合更加充分，但是當(dāng)環(huán)境密度非常低時(shí)，高溫著火被推遲，造成燃燒不完全；另外，提高噴油壓力可以改善油、氣混合過程，高速運(yùn)動(dòng)的油束推動(dòng)高溫反應(yīng)區(qū)向下游移動(dòng)，導(dǎo)致火焰浮起長(zhǎng)度變長(zhǎng)，但噴油壓力對(duì)正十二烷噴霧著火過程影響較?。?/p>