基于Fluent的天然氣燃燒特性研究

摘要：通過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的影響。利用Fluent軟件對各方案進行數值模擬計算，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，緩解天然氣發動機動力性不足，為天然氣速燃技術的進一步研究提供理論基礎。

關鍵詞：天然氣；雙火花塞；定容燃燒彈；Fluent

中圖分類號：TQ153.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0012-03

Study of Combustion Characteristics of Natural Gas Based on Fluent

WANG Kai-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 influences on flame propagation of natural gas due to the layout of spark plug.With the CFD simulation calculation based on Fluent，it seems that the burning rate of gasoline is faster than natural gas，and dual spark plugs can make fast combustion of natural gas，which can provide a theoretical method to solve the bad performance of power for CNG engines.

Key Words: natural gas；dual spark plugs；constant volume bomb；Fluent

天然氣作為清潔燃料，相比汽油、柴油等傳統燃料，具有經濟性好、排放性能優越等特點，在內燃機領域已得到廣泛應用。但天然氣著火溫度高，燃燒期長，相同當量比層流火焰傳播速率比汽油混合氣要低12％左右［１］，這是造成天然氣發動機動力性不足的主要原因之一。采用雙火花塞可提高點火能量，增大初始火焰鋒面面積，有效提高燃燒速率，緩解天然氣發動機動力性不足的問題。

為避免實際復雜工作過程及循環變動對燃燒的影響，內燃機的燃燒研究主要在定容燃燒彈中進行，定容燃燒彈可研究活塞上止點附近時的燃燒［2］。本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行研究，利用CFD軟件Fluent對定容燃燒彈中燃燒過程進行數值仿真，并對計算結果進行分析，驗證雙火花塞的速燃特性。

1 方案設計與計算預處理

筆者根據試驗需求設計了5種方案，以比較不同條件下燃料的燃燒特性，如表1所示。其中方案1與方案2均采用單火花點火方式，用以比較天然氣和汽油混合氣的火焰傳播特性，方案1與方案3則分別采用單火花塞和雙火花塞布置，比較單雙火花塞對于火焰傳播和燃燒速率的影響，方案3、方案4和方案5以火花塞間距作為控制變量，研究雙火花塞的布置對于燃燒過程的影響。

為縮減計算量，筆者構造100 mm×100 mm的二維流體區域模擬定容燃燒彈，火花塞均采用中心區域對稱布置，根據設計方案設置直徑d=1 mm的圓形流體區域作為初始火花范圍，并對計算區域進行網格劃分，如圖1所示。

2 數學模型與計算方法

本文對燃燒的瞬態發展過程進行數值模擬，假定燃料與空氣已充分混合，采用預混燃燒模型。該模型利用火焰鋒面將反應的流場分為已燃區和未燃區，通過求解反應進度（progress variable）控制方程確定流場中反應量的分布規律，控制方程的源項即為燃燒過程的平均反應速率，Fluent軟件計算過程中將該反應速率與火焰的湍流燃燒速率相關聯。因此，正確的預測湍流燃燒速率對于預混燃燒模型十分重要［3］。

在火焰鋒面傳播的過程中，大渦團會引起火焰鋒面的皺折和拉伸，并將反應物卷入火焰鋒面，反應物在湍流尺度區域內以層流方式進行燃燒［4］，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、反應初始的壓力與溫度有關，可用指數方程擬合式表示［5］，即：

式中，Tu和Pu分別為未燃反應物的溫度與壓力，Tu，ref和Pu，ref則分別為標準狀態下的溫度和壓力；式中標準狀態下的層流燃燒速率Ul，ref可由相關實驗擬合公式得到［6］，而指數參數項γ、β可與混合氣當量比Φ建立關系式：

對于火焰的拉伸效應，Fluent軟件在計算過程中通過對反應進度控制方程的源項進行增益處理來表征，并引入臨界應力變化速率，用以計算拉伸增益系數。根據文獻[3]提供的經驗公式，本次仿真計算中燃燒天然氣時臨界應力變化速率gcr取8 289，燃燒汽油時的臨界應力變化速率gcr取10 398。

計算過程中湍流模型選用標準k-ε模型；對于溫度的求解采用非絕熱方式，以恒定壁溫作為邊界條件，通過求解流場能量控制方程計算得到溫度分布。選用理想氣體定律計算燃燒氣體性質，并通過調整燃料質量分數將混合氣當量比設為1。

本文選用PISO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格式，以提高計算精度。初始條件可采用發動機仿真軟件GT-power對某發動機壓縮上止點處各項參數的計算結果［6］，使用patch對初始條件進行修正，將點火區域內的反應進度c設為1，表征計算初始該區已處于反應狀態，從而模擬火花塞的工作。

3 計算結果分析

3.1 不同燃料燃燒特性的比較

圖2給出了方案1和方案2計算得出的定容燃燒彈內混合氣反應進度隨時間變化數值分布規律。從圖中可以看出，定容燃燒彈中的混合氣火焰從初始時刻開始由點火區域以球面方式向外傳播，由等值區域分布的疏密程度可知火焰鋒面的大致位置，從而可判斷火焰的傳播。計算結果表明，汽油混合氣的火焰傳播速率比天然氣混合氣火焰傳播速率快。

3.2 單雙火花點火對平均燃燒速率的影響

將方案1、方案2和方案3計算得到的每個時刻定容燃燒彈內流場反應進度數值分布及壓力場分布分別在計算區域內取平均值，并分別繪制隨時間的變化規律曲線，如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，燃燒開始初期，定容燃燒彈內方案2的反應進度增長率高于方案1反應進度增長率，這主要是因為汽油混合氣火焰傳播速率快于天然氣混合氣；提高燃燒反應速率可使單位時間反應產生的熱量增大，在定容條件下提高壓力升高比，如圖4所示。改用雙火花塞后，由于燃燒初始階段火焰鋒面面積有所增大，混合氣的燃燒反應區域增大，使得定容燃燒彈內天然氣混合氣總體燃燒速率在一定程度得到提高，導致壓力升高率增大。因此，采用雙火花塞布置可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動機動力性不足。

3.3 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程隨時間變化分布規律如圖5所示。對比三種方案中反應進程的分布規律可分析火焰傳播過程，初始時刻由不同位置點火區域產生的火焰鋒面隨時間不斷向外推移，已燃區體積逐漸擴大并相互作用，當兩個火焰鋒面相碰時，已燃區會相互融合。當點火區域相距較遠時，已燃區融合所需時間較長，如方案5所示，而當點火區域相距較近時，已燃區隨著燃燒的進行迅速融合，如方案3所示。

4 結論

（1）通過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CFD軟件Fluent對設計的各方案進行數值模擬計算，通過流場區域內反應進度的數值分布判斷火焰的傳播，分析雙火花點火和火花塞布置方式對天然氣預混火焰傳播性質的影響。

（2）模擬計算結果表明，天然氣預混燃燒速率比汽油小，在燃燒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動機動力性不足，驗證了雙火花塞的速燃特性。

（3）模擬仿真分析可減少項目的研發成本、縮短研究周期，通過對不同方案的計算分析，為進一步的試驗研究提供理論基礎。

參考文獻：

［1］ 張惠明，沈國華. CNG發動機燃燒過程的CFD模擬計算［J］.小型內燃機與摩托車，2007，（10）:9-11.

［2］ 馬凡華， 蔣德明. 一種可變湍流的定容燃燒彈實驗裝置［J］.內燃機學報，2001，(1):69-72.

［3］ Fluent，Inc.FLUENT 6.3 User’s Guide.2006［M］.2006.

［4］ 解茂昭.內燃機計算燃燒學［M］.大連:大連理工大學出版社，2005.

［5］ 周龍保.內燃機學［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［6］ S.Y.Liao，D.M.Jiang，Q.Cheng.Determination of laminar bur-

ning velocities for natural gas［J］.Fuel，83（2004）1247-1250.