基于Fluent的天然氣燃燒特性研究

設計·研究汽車(chē)科技第3期2011年5月doi:10.3969issn1005-2550201103003基于P的天氣燃邊性研兗王凱楠,侯獻軍,閆少杰,余其旺,徐楠楠(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,武漢430070)摘要:通過(guò)控制變量設計試驗方案,研究定容燃燒彈內的預混燃燒特性以及火花塞數量和布置方式對天然氣預混火焰傳播性質(zhì)的影響。利用 Fluent軟件對各方案進(jìn)行數值模擬計算,計算結果表明天然氣預混燃燒速率比汽油小,采用雙火花塞布置可有效提高燃燒速率緩解天然氣發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不足,為天然氣速燃技術(shù)的進(jìn)一步研究提供理論基礎關(guān)鍵詞:天然氣;雙火花塞;定容燃燒彈; Fluent中圖分類(lèi)號:TQ1532獻標志碼:A文章編號:1005-25502011)03-0012-03Study of Combustion Characteristics of Natural Gas Based on Fluentai-nan, HOU Xian-jun, YAN Shao-jie, YU Qi-wang, XU Nan-nan(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)Abstract: This article introduces design schemes for the research on the premixed combustion in the constant volume bomb and influ-ences on flame propagation of natural gas due to the layout of spark plug. With the CFD simulation calculation based on Fluent, it seerming rate of gasoline is faster than natural gas, and dual spark plugs can make fast combustion of natural gas, whichvide a theoretical method to solve the bad performance of power for CNG enginesKey Words: natural gas dual spark plugs: constant volume bomb; Fluent天然氣作為清潔燃料,相比汽油、柴油等傳統燃不同條件下燃料的燃燒特性,如表1所示。其中料,具有經(jīng)濟性好、排放性能優(yōu)越等特點(diǎn),在內燃機方案1與方案2均采用單火花點(diǎn)火方式,用以比領(lǐng)域已得到廣泛應用。但天然氣著(zhù)火溫度高,燃燒期較天然氣和汽油混合氣的火焰傳播特性,方案1長(cháng),相同當量比層流火焰傳播速率比汽油混合氣要與方案3則分別采用單火花塞和雙火花塞布置低12%左右叫,這是造成天然氣發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不足比較單雙火花塞對于火焰傳播和燃燒速率的影的主要原因之一。采用雙火花塞可提高點(diǎn)火能量,增響,方案3、方案4和方案5以火花塞間距作為大初始火焰鋒面面積,有效提高燃燒速率,緩解天然控制變量,研究雙火花塞的布置對于燃燒過(guò)程的氣發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不足的問(wèn)題影唷。為避免實(shí)際復雜工作過(guò)程及循環(huán)變動(dòng)對燃燒的表1仿真計算方案設計影響,內燃機的燃燒研究主要在定容燃燒彈中進(jìn)行方案1方案2方案3方案4方案定容燃燒彈可研究活塞上止點(diǎn)附近時(shí)的燃燒2。本使用燃料天然氣汽油天然氣天然氣天然氣文設計仿真計算方案對預混火焰傳播及雙火花塞布置方式進(jìn)行研究,利用CFD軟件 Fluent對定容燃燒點(diǎn)火方式單火花單火花雙火花雙火花雙火花點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火點(diǎn)火彈中燃燒過(guò)程進(jìn)行數值仿真,并對計算結果進(jìn)行分火花塞析,驗證雙火花塞的速燃特性。間的幾/mm1方案設計與計算預處理為縮減計算量,筆者構造100mmx100mm的二維流體區域模擬定容燃燒彈,火花塞均采用中心筆者根據試驗需求設計了5種方案,以比較區域對沿計古安沿吉徑d=1mm的圓形流中國煤化工計算區域進(jìn)收稿日期:2011-0302基金項目:國家大學(xué)生創(chuàng )新性實(shí)驗計劃基金項目(091049727行網(wǎng)格CNMHG基于 Fluent的天然氣燃燒特性研究/王凱楠,侯獻軍,閆少杰等設計·研究布。選用理想氣體定律計算燃燒氣體性質(zhì),并通過(guò)調整燃料質(zhì)量分數將混合氣當量比設為1本文選用PSO算法作為壓力速度耦合方法求解有限差分方程,控制方程離散格式采用二階迎風(fēng)格式,以提高計算精度。初始條件可采用發(fā)動(dòng)機仿真軟件GT- power對某發(fā)動(dòng)機壓縮上止點(diǎn)處各項參數(a)方案1、2()方震3(c)方案4(d方案5的計算結果,使用pch對初始條件進(jìn)行修正,將圖1不同方案計算網(wǎng)格的劃分點(diǎn)火區域內的反應進(jìn)度c設為1,表征計算初始該區已處于反應狀態(tài),從而模擬火花塞的工作。2數學(xué)模型與計算方法3計算結果分析本文對燃燒的瞬態(tài)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數值模擬,假定燃料與空氣已充分混合,采用預混燃燒模型。該模型31不同燃料燃燒特性的比較利用火焰鋒面將反應的流場(chǎng)分為已燃區和未燃區,通過(guò)求解反應進(jìn)度 progress variable控制方程確定流圖2給出了方案1和方案2計算得出的定容燃場(chǎng)中反應量的分布規律,控制方程的源項即為燃燒過(guò)燒彈內混合氣反應進(jìn)度隨時(shí)間變化數值分布規律程的平均反應速率 Fluent軟件計算過(guò)程中將該反應從圖中可以看出,定容燃燒彈中的混合氣火焰從初速率與火焰的湍流燃燒速率相關(guān)聯(lián)。因此,正確的預始時(shí)刻開(kāi)始由點(diǎn)火區域以球面方式向外傳播,由等測湍流燃燒速率對于預混燃燒模型十分重要。值區域分布的疏密程度可知火焰鋒面的大致位置在火焰鋒面傳播的過(guò)程中,大渦團會(huì )引起火焰從而可判斷火焰的傳播。計算結果表明,汽油混合氣鋒面的皺折和拉伸,并將反應物卷入火焰鋒面,反應的火焰傳播速率比天然氣混合氣火焰傳播速率快。物在湍流尺度區域內以層流方式進(jìn)行燃燒,因此湍流燃燒速率的大小主要取決于層流燃燒速率、火焰的拉伸效應等因素。層流火焰燃燒速率、反應初始的壓回⊙力與溫度有關(guān),可用指數方程擬合式表示5,即:t=2=4 ms t=6 ms t=8方案1式中,T和P分別為未燃反應物的溫度與壓力,T"回·■■(1和P則分別為標準狀態(tài)下的溫度和壓力;式中標準狀態(tài)下的層流燃燒速率Um可由相關(guān)實(shí)驗擬合方案2公式得到6,而指數參數項yB可與混合氣當量比圖2方案1和方案2的反應進(jìn)度分布規律φ建立關(guān)系式3.2單雙火花點(diǎn)火對平均燃燒速率的影響y=218-0.8(φ-1)(2將方案1、方案2和方案3計算得到的每個(gè)時(shí)B=-0.6+0.22(中-1)(3)刻定容燃燒彈內流場(chǎng)反應進(jìn)度數值分布及壓力場(chǎng)分對于火焰的拉伸效應, Fluent軟件在計算過(guò)程布分別在計算區域內取平均值,并分別繪制隨時(shí)間中通過(guò)對反應進(jìn)度控制方程的源項進(jìn)行增益處理來(lái)的變化規律曲線(xiàn),如圖3和圖4所示表征,并引入臨界應力變化速率,用以計算拉伸增益由圖3可以看出,燃燒開(kāi)始初期,定容燃燒彈內系數。根據文獻3提供的經(jīng)驗公式,本次仿真計算方案2的反應進(jìn)度增長(cháng)率高于方案1反應進(jìn)度增長(cháng)中燃燒天然氣時(shí)臨界應力變化速率g取8289,燃率,這主要是因為汽油混合氣火焰傳播速率快于天燒汽油時(shí)的臨界應力變化速率g取10398。然中國煤化工率可使單位時(shí)間反應計算過(guò)程中湍流模型選用標準k-模型:對于產(chǎn)生CNMHG提高壓力升高比,如度的求解采用非絕熱方式,以恒定壁溫作為邊界圖4所示。改用雙火花塞后,由于燃燒初始階段火焰條件,通過(guò)求解流場(chǎng)能量控制方程計算得到溫度分鋒面面積有所增大,混合氣的燃燒反應區域增大,使13設計·研究汽車(chē)科技第3期2011年5月得定容燃燒彈內天然氣混合氣總體燃燒速率在一定示。對比三種方案中反應進(jìn)程的分布規律可分析程度得到提高,導致壓力升高率增大。因此,采用雙火焰傳播過(guò)程,初始時(shí)刻由不同位置點(diǎn)火區域產(chǎn)火花塞布置可在一定程度上緩解天然氣混合氣燃燒生的火焰鋒面隨時(shí)間不斷向外推移,已燃區體積速率較小所引起的發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不足。逐漸擴大并相互作用,當兩個(gè)火焰鋒面相碰時(shí),已燃區會(huì )相互融合。當點(diǎn)火區域相距較遠時(shí),已燃區方案1融合所需時(shí)間較長(cháng),如方案5所示,而當點(diǎn)火區域0000一方案2一方案3相距較近時(shí),已燃區隨著(zhù)燃燒的進(jìn)行迅速融合,如方案3所示。4結論(1)通過(guò)控制變量設計仿真計算方案,研究定容燃燒彈內的不同燃料與空氣的預混燃燒特性,采用時(shí)間/mCFD軟件 Fluent對設計的各方案進(jìn)行數值模擬計算,通過(guò)流場(chǎng)區域內反應進(jìn)度的數值分布判斷火焰圖3不同方案反應進(jìn)度隨時(shí)間的變化規律的傳播,分析雙火花點(diǎn)火和火花塞布置方式對天然暴方發(fā)1氣預混火焰傳播性質(zhì)的影響。一方案2一方案3(2)模擬計算結果表明,天然氣預混燃燒速率比汽油小,在燃嬈室內合理布置雙火花塞可增大初始火焰鋒面面積,有效提高燃燒速率,增大壓力升高率,在一定程度上緩解天然氣混合氣燃燒速率較小所引起的發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性不足,驗證了雙火花塞的速燃特性。時(shí)間/s3模擬仿真分析可減少項目的研發(fā)成本、縮短研究周期,通過(guò)對不同方案的計算分析,為進(jìn)一步的圖4不同方案壓力隨時(shí)間的變化規律試驗研究提供理論基礎。33雙火花塞布置方式對火焰傳播的影響方案3、方案4和方案5計算得出的定容燃燒彈內混合氣反應進(jìn)程隨時(shí)間變化分布規律如圖5所參考文獻「1〗張衷明,沈國華CNG發(fā)動(dòng)機燃燒過(guò)程的CFD模擬計算Jd回·小型內燃機與摩托車(chē),2007,(10):9-112馬凡華,蔣德明一種可變湍流的定容燃燒彈實(shí)驗裝置門(mén)J內燃機學(xué)報,2001,(1)69-721=6 ms t=8 ms t=l0 ms方發(fā)33. Fluent, Inc. FLUENT 6.3 Lser's Guide 2006[M].2006.5514】解茂昭內燃機計算燃燒學(xué)[M]大連:大連理工大學(xué)出版社,2005=2m1=4mt=6mst8m10m03s5周龍保內燃機學(xué)M北京機械工業(yè)出版社,2005方案46]SY Liao, D. MJiang, Q Cheng Determination of laminar bur-BS8■TH中國煤化工3(20041247-1250CNMHG方蒙5圖5方案3、方案4和方案5的反應進(jìn)度分布規律14