缸內噴霧燃燒CFD仿真模型校驗

余宏峰，殷 勇，楊尚麗

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

隨著計算機技術的不斷進步，計算流體動力學（CFD）和高性能計算機已經廣泛應用于發動機缸內的噴霧燃燒仿真計算，起到了越來越重要的作用。缸內噴霧仿真用來做燃燒系統開發，其仿真結果是否可以用來指導工程實踐，即仿真結果是否可信受到開發人員的關注。

CAE工程師通常將仿真計算結果與實驗數據作對比，當二者數據能夠較好地吻合，通常會認為當前仿真模型是準確的。這種定量的數值比較只是從一方面反映模型的準確性。如果模型能夠對缸內噴霧發展形態、燃燒火焰運動過程有較好的描述，則可以定性認為此時的模型對缸內噴霧燃燒物理現象的反映是準確的。

獲取缸內噴霧燃燒過程圖像，有利于提高研究人員對缸內過程的感性認識，同時對校驗仿真計算模型的準確性有著特別重要的意義。本文采用對流場無干擾的內窺鏡技術，直接在產品級發動機上進行噴霧、燃燒過程的可視化測量，獲得噴霧燃燒過程的時空變化圖像。用CFD的仿真結果與燃燒火焰、碳煙濃度進行了對比，校驗了缸內噴霧燃燒CFD仿真模型的準確性。

1 試驗系統

1.1 試驗發動機

研究中采用某款現生產的重型高壓共軌直噴柴油發動機，發動機常規技術參數信息如表1所示。

表1 試驗發動機技術參數

為了能夠在發動機上觀察到缸內的燃油噴射和燃燒火焰，需要在缸蓋上加工可視化通路將內窺鏡和光源伸入缸內進行拍攝和照明。由于目前幾乎所有的柴油發動機都采用噴油器中置、四氣門的缸蓋結構，不可避免地需要在活塞上做局部加工，避開光學視角。如圖1所示，在CAD中完成的可視化系統布置和可觀察到的燃燒室視野范圍。發動機上臺架前，更換缸蓋和測量缸活塞。

1.2 可視化系統

研究中所采用的可視化系統為基于內窺鏡測量技術的光學燃燒攝像系統。該系統在發動機自由端安裝曲軸轉角編碼器，在發動機輸出端的缸蓋上安裝內窺鏡和光纖光源。內窺鏡前安裝有石英窗，保護內窺鏡不會接觸高溫高壓燃氣。內窺鏡后面接一個CCD相機，光纖光源與一個頻閃單元相連，頻閃單元主要用于在燃燒前對燃油噴射過程進行照明。系統以曲軸轉角為單位采集記錄發動機燃油噴射、燃燒火焰圖像。需要說明的是，曲軸轉角編碼器定義壓縮上止點為0°CA，即可視化系統拍攝的圖像都是以0°CA為基準，壓縮上止點前為負角度，壓縮上止點后為正角度。

圖2展示了該系統的臺架布置情況。

1.3 雙色法

可視化系統可以根據采集到的燃燒過程圖片采用雙色法對燃燒火焰圖像做進一步處理，完成對火焰溫度場或碳煙濃度變化過程的分析。其中，雙色法是種傳統的測高溫的方法。其基本原理在于，測出火焰發射出的輻射光在某兩個波長上的強度，然后利用由輻射學建立的兩個強度與溫度的方程，消去一個代表輻射率的未知因子，計算出所要的溫度，再代回原方程中的一個，算出與碳煙有關的KL因子。本文采用商業化軟件對燃燒火焰圖像做后處理，得到碳煙濃度分布圖像。

1.4 工況條件

受試驗條件和可靠性的限制，需要避免燃油噴射不會接觸到石英保護窗，防止在石英保護窗上迅速積累碳煙顆粒，以獲得清晰光學測量結果，選擇發動機扭矩點轉速15%負荷作為試驗基礎工況點。表2列出基礎工況信息。由于CFD仿真中定義壓縮上止點為720°CA，所以表中噴油始點角度是為了方便CFD仿真轉換后的角度。

表2 基礎工況信息

2 仿真模型

2.1 計算網格

為減少計算時間，采用成熟商用軟件FIRE中的ESE模塊建立1/8燃燒室網格模型，如圖3所示。其中，燃燒室模型不包括試驗發動機為適應可視化設備而做的相應改動，但模型中包含使發動機實際壓縮比保持一致的補償容積。

2.2 初始和邊界條件

根據部分模型的特點，計算區間選擇進氣門關閉（IVC）至排氣門開啟（EVO）段工作過程。計算初始條件需要進氣門關閉時刻的缸內狀況。進氣門關閉時刻的氣體壓力來源于缸內壓力實測結果，缸內溫度根據燃燒分析儀的計算結果得到。計算開始時，缸內渦流視為一個剛性體的旋轉。計算工況點選擇試驗基礎工況點，計算邊界條件采用AVL推薦值，初始條件和邊界條件數據列于表3中。

表3 計算工況的初始條件和邊界條件

2.3 噴霧和燃燒模型

FIRE噴霧模型基于離散液滴法（DDM）。燃油由包含著相同屬性的一些小液滴組成進入計算域，通過拉格郎日方法在整個計算空間對這些小液滴進行時時追蹤。本文研究中，采用標準WAVE模型用于描述液滴破碎過程。

柴油機燃燒既有預混燃燒又有擴散燃燒，并以擴散燃燒為主。FIRE中的ECFM 3Z是適用于柴油機的相關火焰模型，其中使用一個湍流混合模型來描述油蒸汽和空氣之間的混合過程。

3 模型校驗

3.1 噴霧過程

由于試驗過程中使用的頻閃冷光源，所以整個燃油噴射過程也清晰地記錄下來。圖4比較了CFD計算燃油噴射過程中不同曲軸轉角下的缸內溫度場切片圖與對應角度下的內窺鏡拍攝的噴霧圖像。

燃油噴射是燃油吸熱、霧化、蒸發、與空氣混合的過程，因此在718°CA時CFD切片圖上可以看到噴孔附近一小團溫度降低區域，CFD仿真噴射剛剛開始。圖5展示了CFD計算當量比切片圖，對應角度下的當量比也非常小。而此時的噴霧圖像已經可以明顯觀察到，通過比較，噴霧區域范圍大于CFD切片圖范圍，此時實際噴油已經開始。

720℃A和722℃A轉角下的噴霧圖像中可以清楚看到三束噴射，噴霧進一步發展，噴霧貫穿距增大。溫度場和當量比的形態與噴霧圖像中的噴霧形態吻合較好。噴霧前端由于蒸發以及光源照射角度的影響，已經變得比較模糊。而當量比切片圖上，可以看到燃油著壁的情況發生。溫度場切片圖上判斷，722℃A燃燒已經開始。

3.2 燃燒過程對比

圖6比較了CFD仿真燃燒開始過程不同曲軸轉角下的缸內溫度場切片圖與對應角度下的內窺鏡拍攝的燃燒圖像。724℃A的溫度場表明燃燒已經開始，對應燃燒圖像可以發現，燃燒過程開始于噴霧區域，而在燃燒室凹坑和中間凸臺區域還未著火。隨著活塞下行，由于反擠流作用，在活塞頂面擠流區出現高溫區域，同時由于渦流作用，高溫區向旋轉方向擴散。由兩束噴霧形成的燃燒火焰逐漸重合。從圖6中724～732℃A當量比切片圖看，燃油逐漸向燃燒室中間凸臺處運動，燃燒發生在燃油濃度較高的周圍。燃燒室內火焰面積越來越大，火焰亮度也在增加。對比CFD切片圖和燃燒火焰圖像，可以看出CFD結果與試驗數據非常相似。

圖7比較了CFD仿真燃燒過程后期不同曲軸轉角下的缸內溫度場切片圖與對應角度下內窺鏡拍攝的燃燒圖像。CFD仿真結果表明，朝活塞中央凸臺運動的燃燒室底部的火焰面積越來越大，燃燒圖像上觀察中央凸臺已經變得困難，然而燃燒圖像上反映的火焰區域似乎并沒有CFD所反映的區域大，而且隨活塞下行逐漸減弱。742℃A燃燒火焰停留在燃燒室中的未燃混合氣的地方，對比圖5中742℃A切片圖是可以看出來的。

由于742℃A以后的燃燒火焰亮度很低，同時內窺鏡石英保護窗受到污染，后期的火焰圖像沒有再與CFD結果進行對比。但從整個燃燒過程的對比上看，CFD仿真結果的趨勢與可視化結果的吻合程度還是令人滿意的。

3.3 碳煙濃度分布對比

圖8比較了CFD仿真燃燒過程中不同曲軸轉角下的碳煙濃度分布切片圖與對應角度下內窺鏡拍攝的燃燒圖像通過雙色法計算得到的碳煙濃度分布圖。基于擴散燃燒理論，擴散燃燒火焰發光是依賴于碳煙分布的，只有碳煙生成的區域才會有火焰光出現。因此，圖8中CFD計算得到碳煙濃度分布與圖6、圖7中的溫度場的形態是接近的。圖8中雙色法計算得到的碳煙濃度分布與CFD結果趨勢也是接近的。724℃A碳煙主要在火焰前鋒面。732℃A時隨未燃混合氣的移動，碳煙開始向活塞中央凸臺移動，此時碳煙濃度最高。740℃A時隨著擴散燃燒碳煙進一步氧化，濃度降低，并進一步向凸臺移動。碳煙生成及氧化的整個過程，CFD仿真計算與雙色法計算燃燒火焰圖像得到碳煙濃度趨勢一致。

4 結語

采用基于內窺鏡技術在產品級發動機上進行的可視化試驗，無干擾的獲取發動機缸內噴霧燃燒圖像，從噴霧燃燒發展過程的現象學角度對CFD仿真模型進行了校核。校核結果表明當前CFD模型可以較好的反映噴霧燃燒過程，檢查了模型的正確性。

［1］劉福水，周磊，陳鑫凱，等.校核和驗證（Verification&Validation）準則在此油機噴霧和燃燒模擬中的應用［J］.AVL中國用戶大會，2006.

［2］Anders Larsson.Optical Studies in a DI Diesel Engine［J］.SAE 1999-01-3650.

［3］王麗雯，王建昕，何旭.雙色法在內燃機燃燒診斷中的應用［J］.小型內燃機與摩托車，2007.