微粒捕集噴油助燃再生旋流式燃燒器流場特性CFD研究

湯遠， 伏軍， 陳偉， 馬儀， 朱治國

(邵陽學院機械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004)

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微粒捕集噴油助燃再生旋流式燃燒器流場特性CFD研究

湯遠， 伏軍， 陳偉， 馬儀， 朱治國

(邵陽學院機械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004)

微粒捕集噴油助燃再生燃燒器的火焰穩定性和分布對陶瓷過濾體在再生過程中的安全性具有重要影響，利用旋流產生穩定回流區的機理，設計一套旋流式噴油助燃再生裝置，對其流體性能進行仿真計算，得到其速度、壓力以及溫度等參數分布。結果表明，供給新鮮空氣時在油氣混合室中心部位產生流速25 m/s的回流，發動機高溫廢氣受回流作用能對可燃混合氣進行加熱和促進混合，在突擴部位產生的旋轉回流區能夠持續將高溫氣體卷入燃燒室，對提高火焰穩定性具有重要意義。

微粒捕集器； 再生； 燃燒器； 回流區； 計算流體動力學

當前，柴油機微粒捕集器(DPF)主動再生方式主要有電加熱、微波加熱、燃燒器噴油助燃等，與其他主動再生方法相比,燃燒器再生技術燃料直接取自發動機所用柴油,能量利用率高，響應速度快[1-3]，同時受燃油品質影響較小，適合我國當前國情。然而，噴油助燃再生存在燃燒穩定性和可靠性的問題，其中，對燃燒器性能影響最大、最難控制的是在噴油助燃再生過程中由于燃燒室結構等方面的影響以及排氣和新鮮空氣補給等復雜因素相互作用，容易造成燃燒不穩定甚至燃燒中斷和產生二次污染，或是因為燃燒控制不合理造成燃燒火焰溫度過高導致陶瓷基體的微粒捕集器燒熔或燒裂[4-6]。

為了提高燃燒器燃燒穩定性，擬利用新鮮空氣進氣產生火焰旋轉區，從而在其末端負壓區產生穩定回流，促進燃油和新鮮空氣的混合循環，并利用燃燒室回流區的已燃混合氣持續點燃未燃混合氣，從而達到促進燃油混合、穩定火焰的目的[7-8]，降低因油氣混合不均產生的熱沖擊和二次污染。采用CFD 方法具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點[9-12]，因此，擬采用CFD仿真技術，建立燃燒器流體運動區域模型，合理簡化邊界條件和初始條件，并選擇合適的求解器和計算算法，利用流體仿真軟件Fluent對微粒捕集器噴油助燃再生裝置流場特性進行分析，得到噴油助燃再生裝置內流體速度、溫度和壓力場，研究在安裝壁流式陶瓷過濾體的情況下，燃燒器流體回流區特性，為微粒捕集器噴油助燃燃燒器參數設計和改進提供依據。

1 計算模型

1.1 幾何模型

為了能夠在混合室內產生穩定的旋轉氣流，達到在油氣混合室末端產生回流區的目的，在原有微粒捕集器的基礎上，加裝能夠產生旋流氣流的油氣混合室段，即利用兩個與油氣混合室相切的進氣管供給新鮮空氣，并根據再生所需噴油量與油氣混合比，通過流量閥調節流量和流速，達到合理的進氣流量，進而在混合室末端產生一個穩定的回流區，促進油氣混合和燃燒持續進行。圖1示出了設計的旋流式噴油助燃再生裝置。

1.2 流體計算模型

建立噴油助燃再生裝置流體計算區域三維模型(見圖2)。由于微粒捕集器過濾體采用壁流式陶瓷，其結構為多孔介質，在Fluent仿真過程中需要計算設置相關的多孔介質參數等[13]，為簡化計算并為后續安裝傳感器以及設計再生策略等研究打下基礎，僅考慮再生裝置內部流場特性。對噴油助燃再生裝置的仿真邊界條件進行簡化：1)不考慮發動機排氣速度和溫度波動的影響，計算過程認為排氣速率和溫度均為常數，不考慮燃油噴射霧化對新鮮空氣的參數影響；2)相對于新鮮空氣質量流量，其噴入的燃油質量較小，因此忽略燃油對新鮮充量參數的影響，同時不考慮發動機排氣成分變化對計算參數的影響；3)忽略噴油助燃再生裝置外殼的熱影響和加裝傳感器、電熱塞等附屬設備對流體流動性能的影響。

在網格劃分軟件ICEM中對上述流體計算模型進行網格劃分等前處理，同時，考慮到多孔介質的存在，將流體計算模型按照微粒捕集器壁流式陶瓷過濾體實際位置和尺寸進行分割處理，以便于在Fluent中對多孔介質進行屬性參數定義。而由于模型無復雜流體區域和表面，采用非結構網格即可滿足計算要求[14]。同時，為了提高計算精度，在網格劃分過程中在模型近壁面處生成一定厚度的較高質量的邊界層網格，網格總數約32萬，其結果見圖3。

1.3 初始條件與邊界條件

根據噴油助燃再生裝置油氣混合比例和DPF體積計算再生所需新鮮空氣供給量[15]，利用設計的噴油助燃再生裝置入口直徑等參數計算得到入口的速度值：

Vm=2πr2ν。

(1)

式中：Vm為1 min所需新鮮空氣體積，綜合考量微粒捕集器規格體積和發動機排量，取為5.67 L，經計算新鮮空氣供給速率約0.6 m3/min；r為新鮮空氣供給管道的半徑，設計為15 mm；ν為進氣速率，由上述公式計算得到，約為84.1 m/s。

入口湍流強度l和湍流尺度L的計算公式分別為[16]

l=0.16Re-1/8,

(2)

l=0.07L。

(3)

其中，雷諾數為

(4)

式中：d為新鮮空氣入口直徑;ρ為介質密度，可查表得T=300 K時空氣密度ρ=1.185 kg/m3；μ為空氣動力黏度系數，常溫時空氣動力黏度系數為μ=17.9×10-6Pa·s；經計算l=0.035 6，即湍流強度為3.56%，充分發展的湍流管流中的混合長度最大值為508 mm。選取發動機3 000 r/min轉速、80%負荷的常用工況作為參數采集點，測量發動機排氣溫度和最大平均流速Vaf的數值作為仿真初始條件，經測量和計算，平均排溫為912 K，最大平均流速Vaf為67.3 m/s。

由于涉及到DPF多孔介質的定義與求解計算，壁流式陶瓷過濾體3個方向阻力系數中，沿過濾體軸向的阻力系數不同于其他兩個方向，需要分別測量計算設定，而多孔介質模型通過在動量方程中增加源項來模擬計算域中多孔性材料對流體的流動阻力，該源項由兩部分組成，即Darcy黏性阻力項和慣性損失項[17]：

(5)

(6)

(7)

需要計算得到的單位厚度多孔介質阻力系數C2的壓力損失系數為

(8)

式中：Δn為多孔介質的厚度，所采用的DPF長度規格為200 mm，其孔隙率為0.42。

2 仿真結果與分析

根據以上計算得到了Fluent仿真求解所需的初始條件和邊界條件，仿真分別計算了未供給新鮮空氣、只有發動機排氣流入再生裝置，以及同時進行新鮮空氣供給和發動機高溫排氣兩種情況下，流入再生裝置的氣流速度、壓力以及溫度等的分布。計算采用基于壓力基的求解器，利用PRESTO算法計算帶有高回旋流的情況和產生壓力急劇變化的多孔介質。同時考慮到因多孔介質的存在不能采用Second-Order計算，而且阻力系數較大對計算收斂產生一定影響，因此，求解采用First-Order精度和默認欠松弛因子，并根據計算過程中收斂殘差變化情況適當予以調節[19]。

圖4示出了未供給新鮮空氣時裝置內部流場特性計算結果。

由圖4分析可知，發動機廢氣流入再生裝置時，由于受DPF較大阻力的影響，氣流速度從入口處的65 m/s迅速降低到DPF部位的15 m/s，并且綜合圖4a，圖4c與圖4f可知，在廢氣入口處正對部位保持一個高的氣流流速，向油氣混合室和多孔介質方向流速減小。同時由于廢氣氣流速度較高，導致在Z=0平面靠近DPF下部氣流速度較低，不利于捕集過程的進行，因此應考慮對排氣入口結構進行適當傾斜化改進，促使發動機廢氣更均勻地流過DPF裝置，提高其過濾捕集效率。由圖4b與圖4d壓力分布云圖也可以發現，發動機高速廢氣持續流入過濾器，在入口后方產生一個壓力較高的高壓區，并以此高壓區為核心，周圍壓力逐步降低，對減小發動機排氣背壓有一定積極作用。在DPF內部，壓力呈逐步降低的階梯式分布趨勢，與DPF結構特點相符合，在DPF入口處壓力為1.25 kPa，在出口處壓力降低為0.84 kPa。在發動機排氣中，湍流往往會產生較嚴重的噪聲和較大的阻力[20-22]，由圖4e可知，發動機廢氣進入再生裝置時，其湍動能較大區域主要分布在油氣混合室和燃燒室以及裝置出口部位，因此可以考慮采取一定措施對出口部位氣流進行穩定，減少其湍流現象。

由圖5a，圖5c與圖5f可知，受新鮮空氣供給影響，在再生裝置的油氣混合段貼近壁面位置產生一個流向燃燒室的較高速度區域，而由于旋流作用在混合室段中心產生一個逆向的回流區，流速約25 m/s，而且DPF整體速度分布更加均勻。由速度矢量圖可知，在發動機廢氣入口正對底部突擴部位產生一個較完整回流區，流速達到48 m/s，可考慮在此部位布置安裝火花塞，點燃可燃混合氣后靠旋轉回流區將高溫氣體輸送至油氣混合段對可燃混合氣進行預加熱，其中，中心回流區的溫度達到480 K，而突擴部位的回流區溫度則高達750 K，有利于可靠點燃混合氣。同時，在DPF內部溫度分布相對較為均勻，對再生的穩定性有重要貢獻[23]，而且溫度均勻分布對降低DPF內部熱應力有一定積極作用。

同時，由圖5b與圖5d可以看到在燃燒室段氣流速度和壓力分布更加均勻，高壓區移動至廢氣入口正對位置貼近壁面部位，可進一步降低燃燒器內壓力對發動機排氣背壓的影響，而由于再生裝置內部氣體流量增大，其整體壓力均比單純進行發動機排氣過程要高。在DPF出口處壓力達到1.03 kPa，低壓區主要分布在產生回流區域部位，這一結果對開展后續的傳感器布置和再生策略設計等工作具有重要參考意義。

3 結束語

采用雙支進氣管供給新鮮空氣會在再生裝置油氣混合部位產生一個旋流回流區，高溫廢氣在回流作用下進入油氣混合室，對可燃混合氣進行加熱有利于其油氣混合過程的進行，并且利用突擴部位產生的旋流能夠持續加熱可燃混合氣，對保證再生過程穩定可靠具有重要意義。供給新鮮空氣時，DPF內部流速和壓力分布更加均勻。同時，由于發動機廢氣入口結構垂直于再生裝置軸線，停止供給新鮮空氣時DPF入口處氣流速度分布不夠合理，不利于DPF捕集效率的提高，應進行優化改進。

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[編輯： 姜曉博]

CFD Study on Flow Field Characteristics of Swirling Burner for Fuel-injected Regeneration DPF

TANG Yuan, FU Jun, CHEN Wei, MA Yi, ZHU Zhiguo

(Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China)

The burner flame stability and distribution of fuel-injected regeneration burner had important influence on the safety of ceramic filter regeneration process. Based on the mechanism of stable recirculation region produced by the swirling flow, the swirling burner was designed and the velocity, pressure and temperature of flow were acquired by the fluid simulation The results show that the 25 m/s circling flow occurs at the center of fuel and gas mixing chamber when supplying the fresh air. The high temperature exhaust gas can heat and promote the mixing of ignitable mixture by the recirculation, and the produced circling flow in the sudden enlargement region brings the heated mixture into combustion chamber continuously and improves the flame stability.

DPF; regeneration; burner; recirculation region; CFD

2014-10-12；

2015-04-21

湖南省高校創新平臺開放基金項目(12K130)；湖南省高校科技創新團隊支持計劃資助項目(湘教通[2012]318號)；湖南省邵陽學院研究生創新項目(CX2014SY016)

湯遠(1989—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機排放污染及燃燒控制技術；1318190833@qq.com。

伏軍(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向為小型風冷柴油機性能提高、汽車排放污染控制技術；huabeifujun@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.017

TK421.5

B

1001-2222(2015)03-0081-06