顆粒捕集器噴油助燃再生旋流式燃燒器流場特性分析

伏軍, 李劍星, 湯遠, 康文杰, 張增峰, 李煜

(1. 邵陽學院機械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004;2. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室, 湖南 長沙 410082)

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顆粒捕集器噴油助燃再生旋流式燃燒器流場特性分析

伏軍1, 李劍星1, 湯遠1, 康文杰1, 張增峰1, 李煜2

(1. 邵陽學院機械與能源工程系， 湖南 邵陽 422004;2. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室, 湖南 長沙 410082)

顆粒捕集器噴油助燃再生燃燒器內的流場分布對氣流組織及油氣混合有重要影響，而供風形式是燃燒器內流場特性的主要影響因素之一。為了在燃燒室內形成穩定持續的回流，促進油氣混合進程，分別采用雙矩形口切向供風和直片式軸向旋流器供風兩種供氣形式，設計等入口截面面積的兩種供風系統結構，并在相同發動機排氣和補氣條件下對燃燒器冷流場進行仿真分析。分析結果表明，兩種供風形式均能形成可回流到油氣混合室端面的中心回流區，軸向旋流器供風時的中心回流區的長度、最大回流速度、突擴位置的重附著區長度分別比雙矩形口切向供風時大8.11%，5.63%和9.59%，且軸向旋流器供風時的湍動能大于雙矩形口切向供風。對比結果顯示，利用軸向旋流器供風更有利于促進混合過程的進行，對氣流的組織更合理。

顆粒捕集器； 旋流燃燒器； 再生； 噴油助燃； 流場分布

柴油機顆粒捕集器(DPF)噴油助燃再生是當過濾體碳載量達到一定程度時，通過一套特定裝置向過濾體上游噴射燃油并供給新鮮空氣，然后由點火裝置將噴入的燃油點燃，引燃顆粒實現過濾體再生。這種再生方式具有燃料直接取自油箱、能量利用率高、再生效率高、對發動機沖擊小、適用于含硫量較高的柴油等優勢，在柴油機后處理中扮演著越來越重要的角色[1-2]。

在DPF噴油助燃再生裝置中，燃燒室的氣流特性直接影響著油氣混合組織優劣及后續的燃燒特性，需要重點加以研究。吁璇設計了一種環形管路為DPF再生燃燒器供風，并通過仿真分析了噴油助燃再生系統在不同道路工況下的再生周期及再生效率，為噴油助燃再生系統在柴油車上的使用提供了指導[3]。天津大學、武漢理工大學、軍事交通學院聯合設計了一種空氣來源于渦輪增壓器的全流式燃燒器，并對此展開了相關的理論和試驗研究，取得了較好的效果[4-5]。龔金科等設計了幾套全流式燃燒器并進行了一定的理論研究，針對油氣配比、熱工參數、控制系統等進行了一系列的數值及試驗研究[6-8]。D.S.Park，J.U.Kim及E.S.Kim等在對噴油助燃再生的技術、性能進行深入研究并從理論上優化了過濾體的再生時機判斷和選擇，進而設計了一套旁通式DPF噴油助燃再生系統，降低了噴油助燃再生系統對柴油機自身工作性能的影響，提高了噴油助燃再生系統的實用價值[9-10]。

前期的研究針對DPF噴油助燃再生設計了一種旋流式燃燒器，該燃燒器由兩根關于過濾體軸線中心對稱且與油氣混合室相切布置的圓管向燃燒器供風，利用“旋流+突擴”的方式形成回流，以穩定火焰，為噴油助燃再生燃燒器設計提供了一種新思路[11]。但由于圓管在燃燒器軸向上的跨度較小，油氣混合效果相對較差，且在試驗時發現回流效果并不理想。本研究將借鑒這種思路，結合切向引入和導向葉片這兩種常用于產生旋轉氣流的方法[12-14]，對DPF再生燃燒器的供風形式展開討論，重點討論雙矩形口切向旋流供風和軸流式直葉片旋流器供風兩種情況下燃燒器內的速度、溫度和湍動能分布特性，為DPF噴油助燃再生燃燒器的設計提供指導。

1 模型介紹

1.1 物理模型

本研究的DPF及其再生用燃燒器主要針對ZD25TCR4100高壓共軌柴油機(排量為2.5 L)設計，所采用的過濾體為壁流式蜂窩陶瓷，長度為200 mm，直徑為196 mm，體積為6.0 L，孔隙率為0.42。鑒于目前研究的噴油助燃再生裝置的發動機廢氣主要是沿過濾體軸線引入[15]，這種引入方式在再生時對過濾體有較大的熱沖擊，因此，本研究考慮采用發動機廢氣徑向供入的方式來緩解這種現象，在再生時由于火焰傳播方向與發動機廢氣供入方向近乎垂直，而發動機流速較高，可有效避免火焰前鋒對過濾體的直接沖擊，降低尾氣溫度波動對過濾體的熱損傷。同時由于單切向入口的初始速度、軸向速度、湍動能等偏心分布[16]，故采用雙切向入口為燃燒器供氣。

圖1示出了所研究的兩種供氣形式下的顆粒捕集器噴油助燃再生燃燒器的簡化模型。兩種燃燒器均可以按照功能分為油氣混合室、燃燒室、過濾體和總排氣四部分。

兩種供風形式下,助燃空氣入口的截面情況見圖2。

其中截面長度a為60 mm，截面寬度b為20 mm，噴油嘴安裝孔半徑R為12.5 mm，內環半徑R1為31 mm，外環半徑R2為43 mm，葉片厚度δ為2 mm，平均葉片寬度α為19 mm，葉片安裝角θ為37°，旋流器長度t為20，葉片數目n為10，總截面面積2 400 mm2。

1.2 流體計算模型

由于裝置中的過濾體為壁流式蜂窩陶瓷，空氣流通孔道小，氣體在流經過濾體孔道時受到的阻力較大，因此，進行網格劃分前需對流體域模型進行分割并對該部分單獨定義。劃分網格時，除過濾體部分存在特殊性，需要采用結構化的六面體網格，其余部分并不存在特殊結構，采用非結構網格已可以滿足計算需求。最后需要將各部分網格進行合并，交界面處的網格節點采用正投影方式對接，使各交界面能夠進行數據流通。在雙矩形口切向供風情況下，整體網格約有24.8萬網格節點，軸向旋流器供風情況下約20萬網格節點。圖3示出了兩種供風形式下的網格模型。

1.3 邊界條件與計算模型

1.3.1 入口邊界條件

根據DPF的體積及發動機排量，參照文獻[7]的研究結果，初步選擇再生時噴油率為65 g/min，柴油的理想油氣比為11.4，考慮再生時碳顆粒燃燒需要大量的空氣，適當增大供氣量，選擇油氣比為18.5，此時供入的空氣體積流量為1.2 m3/min。忽略發動機排氣對助燃空氣的影響,并根據入口的截面面積計算入口的空氣流速。

(1)

式中：Vm為助燃空氣的體積流量，值為1.2 m3/min；ν為供氣速率；A為空氣入口的截面面積，值為2 400 mm2。計算得到的供氣速率為V1=V2=8.3 m/s。

本研究主要分析冷態流場，不涉及燃燒反應等復雜過程，在分析時忽略發動機排氣的復雜成分而將其簡化為空氣。基于上述簡化處理，在發動機轉速為1 000 r/min，30%的負載率時對發動機排氣數據進行采集，并以此為廢氣入口初始條件，具體為平均排氣溫度620 K，平均排氣流速16.59 m/s。根據采集到的數據以及文獻[17]，計算各入口的湍流強度與湍流尺度，結果見表1。

表1 各入口邊界的湍流強度及湍流尺度

1.3.2 湍流模型

目前，我國各個地區尚沒有合理的土地儲備管理模式，再根據土地儲備行為的主體實施者是政府，所以以政府為主導的土地儲備管理模式為首選。實踐充分表明，這種管理模式盡顯優勢，土地儲備管理是政府優化土地結構的重要手段。另外，土地儲備管理的主要對象是土地一級市場，而土地的所有權屬于政府，導致土地一級市場被完全壟斷，所以結合這種實際情況，我國的土地儲備管理制度不能以市場為主導，而是應該以客觀實際為出發點，也要遵循合理的市場規律，這樣才有可能實現預期目標。

由于Realizablek-ε模型對大曲率旋轉流場的高精度特性，選擇該模型作為本研究中旋流流場預測模型，其湍動能和耗散率輸運方程為[18]

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在計算時選擇對湍流瞬態流適應性較強的PISO算法作為主導算法，壓力插值采用適合多孔介質流動和高度扭曲區域的PRESTO!離散格式，考慮到多孔介質的特殊性，能量、湍動能等均采用一階迎風格式進行插值。

2 仿真結果與分析

回流區大小和回流強度是常被用于評價旋流燃燒器性能的兩個指標[19]，通常將軸向速度為負值的區域定義為回流區，回流強度則用軸向負速度的大小進行表征[20]。圖4示出了兩種供氣形式下燃燒器中心軸線上的軸向速度曲線圖。由圖可以看出，兩種供氣形式下均能形成較大的中心回流區，其中軸向旋流器供風形式下的中心回流區長200mm，比矩形口切向供風時大8.11%，兩個回流區均從油氣混合室端部一直延續到發動機廢氣入口管中心附近。軸向旋流器供風時中心軸向上最大回流速度為2.44m/s，比雙矩形口切向供風時大5.63%。即軸向旋流器供風形式下的回流強度更大，回流的卷吸作用更明顯，更有利于加強發動機廢氣與助燃空氣的混合。

2.1 兩種供風形式對燃燒器內速度的影響

從圖5可以看出兩種供氣形式下在突擴位置均能夠形成局部回流，這個漩渦區能夠有效促進燃燒室內冷熱氣流的混合，從而提高再生時火焰的穩定性[21]。將在壁面處軸向速度的徑向導數為零的點稱為重附著點，突擴回流的重附著點到突擴的距離稱為重附著區長度。重附著區長度L2決定這個區域的大小。軸向旋流器供風時L2=80 mm，比矩形口切向旋流供風時大9.59%，即在軸向旋流器供風燃燒器突擴位置的油氣混合及火焰穩定性優于矩形口切向旋流供風，加強了油氣混合區外圍的氣流擴散運動，對保證全局范圍內均勻的油氣混合物形成極為有利。

2.2 兩種供風形式對排氣管中心截面速度的影響

圖6示出了發動機廢氣入口中心截面上的速度矢量圖。從圖中可以看出，在雙矩形口切向供風時，最大速度為17.14 m/s，出現在燃燒室中心附近。在發動機廢氣入口管軸線兩側形成了繞流，其中Y軸負向的繞流較大，離軸線較近，Y軸正向的回流區較小，離軸線較遠。兩個繞流區的最大回流速度為4.5 m/s。軸向旋流器供風時最大速度為16.89 m/s，在發動機廢氣入口管軸線附近Y軸負向上存在繞流區，最大繞流速度為4.68 m/s，在發動機廢氣入口管與燃燒室結合處也存在小繞流區。在繞流的作用下，發動機廢氣在廢氣入口管中心與可燃混合氣的混合更加均勻。

2.3 兩種供風形式對過濾體前端溫度的影響

圖7示出了兩種供風形式下未進行噴油再生時過濾體前端的溫度云圖(發動機廢氣由發動機廢氣入口管從圖示左側供入)，兩種情況下兩條相鄰等高線的溫度差均為2 K。未進行噴油助燃再生時，矩形口切向供風時過濾體前端面的最低溫度為429.5 K，最高溫度為491.7 K，端面上整體溫差為60 K。在正對廢氣入口且偏向Y軸正向處溫度梯度較大，等高線較密處的平均溫度梯度為8.945 K/cm。軸向旋流器供風時，最高溫度為467.7 K，最低溫度為417.0 K，端面上整體溫差為50 K，等高線較密處的平均溫度梯度為5.764 K/cm。由于兩種供風形式下新鮮空氣的旋流方向相同，旋轉氣流帶動高溫發動機廢氣旋轉，因此，兩種情況下過濾體端面上的整體溫度分布情況幾乎一致，但軸向旋流器供風時整個過濾體前端面上的溫度分布相對較均勻。

2.4 兩種供風形式對湍動能的影響

湍動能對于燃燒系統特別重要，它是混合過程的主要能源和驅動力[22]。圖8示出了兩種供風形式下的湍動能云圖。由圖可以看出，軸向旋流器供風時的整體湍動能較雙矩形口供風的大，更能促進發動機廢氣與可燃混合氣的混合。其中軸向旋流器供風時的最大湍動能為45.88 J/kg，是雙矩形口切向供風時的兩倍，兩種供風形式下的最大湍動能都出現在油氣混合室與發動機廢氣管入口交匯處，在該區域發動機廢氣與可燃混合氣混合最均勻，熱量交換最充分。兩種供風形式下以發動機廢氣入口管為分界，燃燒室靠近油氣混合室一側的湍動能較大，在該區域發動機廢氣與可燃混合氣混合更均勻。

3 結束語

兩種供風形式均能在燃燒室中形成很好的旋流并在油氣混合室和燃燒室中心附近形成一定的中心回流區，中心回流區氣流均可回流到噴油嘴所在的位置。該回流有助于加強再生時的油氣混合并提高火焰穩定性，回流到油氣混合室端面附近的高溫煙氣可作為再生時的持續點火源點燃霧化燃油。軸向旋流器的中心回流區長度、最大回流速度、油氣混合室部分的湍流強度等均大于雙矩形口切向供風，更有利于油氣的充分混合,同時軸向旋流器供風時過濾體前端面上的溫度梯度分布更加合理。但具體在再生時的情況仍需進一步結合噴油助燃再生過程進行研究。

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[編輯： 姜曉博]

Flow Characteristic Analysis of Swirling Burner for Injection Combustion-supporting Regeneration of DPF

FU Jun1， LI Jianxing1, TANG Yuan1， KANG Wenjie1， ZHANG Zengfeng1， LI Yu2

(1. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China;2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China)

The distribution of flow field in the swirling burner for fuel-injected regeneration diesel particulate filter has important influence on the organization and mixing of airflow and the style of supplying air is one of the main influencing factors. In order to form the steady and continuous backflow in the burner to promote the mixing of fuel and air, the air supply forms of dual rectangle inlet pipe and straight-vane axial swirler were put forward, the corresponding system structures based on the same inlet section were designed, and the simulation of burner cold flow field was carried out under the conditions of the same engine exhaust and air supply. The results show that both air supply forms can form a central backflow zone which can return to the end of the fuel and air mixing chamber. Compared with the dual rectangle inlet pipe, the length of central backflow zone, the maximum backflow velocity and the length of reattachment region in sudden expansion position increases by 8.11%, 5.63% and 9.59% respectively. In addition, the turbulent energy of axial swirler is larger than that of dual rectangle inlet pipe. Accordingly, the axial swirler is more helpful to the proceeding of mixing process and organization of air flow.

diesel particulate filter (DPF)； swirl burner； regeneration； injection supporting combustion； flow field distribution

2016-04-13；

2016-06-13

國家自然科學基金項目(91541121)；湖南省研究生科研創新項目(CX2015B601)；邵陽學院研究生科研創新項目(CX2015SY025)

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及汽車排放控制技術；hubeifujun@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.010

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0056-06