針對氫燃料發動機爆燃過程的數值模擬研究

王秀紅 陳甲武 何 昱

(1.廣西玉柴動力股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004)

0 前言

提高壓縮比是提高發動機的熱效率和經濟性的有效方式之一，但發動機增壓強化所導致的爆燃和超級爆燃等異常燃燒現象不但嚴重阻礙了小型增壓發動機的發展，并在一定程度上限制了新型燃燒方式的應用。

均質充量壓縮著火燃燒(HCCI)是一種具有代表性的低溫燃燒方式，具有均質混合氣壓燃著火和低溫燃燒的特點。HCCI可以提高發動機的熱效率，并且可以有效降低有害物的排放。但在高負荷下，HCCI容易導致汽油機的爆燃，這限制了HCCI發動機的推廣運用。為了抑制爆燃和超級爆燃等異常燃燒現象的發生，應深入研究其產生的機理。

在爆燃的早期研究中，Berthelot等[1]認為爆燃波中的化學反應是由激波壓縮誘導的。之后，Chapman和Jouguet建立了定量理論(CJ理論)來確定混合物的爆燃速度。由于CJ理論不能描述爆燃波的結構，無法明確爆燃波的傳播機理。Zeldovich等[2]隨后提出了Zeldovich-Von Neumann-Doring(ZND)模型。該模型對爆燃波的結構進行了描述，即爆燃波是在前導激波面與之后的化學反應區形成。

對于內燃機內的爆燃產生機理，目前大部分學者支持Ricardo在1919年提出的末端氣體自燃理論。該理論認為，爆燃的發生是由于末端混合氣發生了自燃。劉輝[3]總結了常規爆燃和超級爆燃的燃燒過程，并分別針對常規爆燃和超級爆燃提出了相應的抑制策略。Pan等[4]采用大渦輪模擬(LES)方法耦合詳細化學反應的求解器和亞格子尺度(SGS)渦流黏度模型，研究了在高壓小型汽油機中燃料自燃引起的異常燃燒。Ettner等[5]提出了一種新的能夠模擬火焰運動加速、爆燃到爆轟的求解器，通過該求解器模擬了二維均質氫氣和氧氣在有障礙物的直管內火焰運動加速、爆燃轉爆轟的燃燒過程。Wang等[6]則通過采用單步反應的化學模型和自適應網格細化模擬了非均質氫氣和氧氣的燃燒。

目前，針對爆燃燃燒過程中壓力波與火焰前鋒的相互作用，以及溫度、壓力對化學反應的影響已有相關報道[7-12]，但現有研究基本上都是針對一維計算區域進行模擬。本文利用Open FOAM 軟件，采用二維模型，對氣缸內氫氣和空氣混合物爆燃燃燒過程緊密關聯的末端氣體自燃現象，以及火焰傳播、自燃、壓力波和溫度的相互作用進行研究，探索產生爆燃的機理。

1 模型的建立與驗證

1.1 計算軟件及方法

采用計算流體動力學(CFD)軟件，以及Open-FOAM 軟件中的內燃機求解器(EngineFoam)和基于密度的熱力學包的化學反應求解器(Rho Reacting-Foam)2種標準求解器進行了模擬。此外，還運用了適合瞬態不可壓縮流體的帶算子分裂的壓力隱式(PISO)算法，在基于密度的化學反應求解器中加入了與發動機相關的類別。在氫氣自燃后壓力與溫度變化的研究中，選擇了耦合詳細的化學反應機理，采用10組分、21步反應的化學反應機理開展研究[13]。

1.2 求解器驗證

為了對求解器進行驗證，將網格、初始條件、邊界條件等參數均設置成與文獻相同[10]，即計算區域為二維，壓力為0.455 MPa，溫度為900 K，當量比為1.0。在此條件下，模擬了氫氣與空氣混合物的自燃及爆燃。模擬結果表明，正常燃燒火焰前鋒的速度約在20～60 m/s之間，而自燃火焰前鋒的速度則達到1 000 m/s以上。同時發現火焰前鋒在接近右壁面時才發生自燃，這與文獻中的研究結果是一致的。表1示出了試驗發動機模型的基本參數。

表1 試驗發動機模型的基本參數

1.3 計算對象及網格劃分

計算區域為活塞運動到上止點時的氣缸。氣缸截面可近似為1個長方形區域，其寬度為92 mm，高度為16 mm。采用總數為16 000個的結構網格，同時在計算區域的左上角設置了1 個熱點，熱點區域為邊長5 mm 的正方形。

2 模擬邊界與初始計算條件

將所有計算條件下的當量比均設為1.0，熱點區域的溫度設置為2 000 K。初始條件的設置如表2所示。

表2 初始條件的設置

3 數值模擬結果

在溫度為900 K，壓力為0.10 MPa時，自燃發生較晚，僅在開始燃燒后的332μs發生了末端氣體的自燃。圖1為自燃發生前的熱釋放率，圖2為自燃發生時的熱釋放率。對比圖1、圖2可知，自燃時的熱釋放率比正常燃燒時的熱釋放率要大，這是由于自燃區域的壓力更大，溫度更高。

圖1 溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生前的熱釋放率

圖2 溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生時的熱釋放率

圖3示出了溫度為900 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生前后的壓力變化。從圖3可以看出，末端未燃氣體受到火焰前鋒的壓縮，呈現出較高的壓力狀態。

圖3 自燃發生前后的壓力變化

圖4為自燃發生前后的溫度變化。由圖4可知，隨著自燃的發生，氣體燃燒釋放大量的熱量，溫度快速升高，壓力也進一步增大。自燃發生后，正常燃燒的火焰前鋒的壓縮作用并沒有結束，壓縮作用使得壓力范圍更小，壓力更大。自燃并未發生在近壁面處，而是發生在正常燃燒的火焰前鋒附近，這是由于受到火焰前鋒壓縮的未燃氣體區域的壓力相差不大，但靠近火焰前鋒處的溫度更高，所以火焰前鋒附近的氣體更容易自燃。在340μs后，已燃區域在靠近自燃區域的部分，壓力小幅增大，溫度小幅升高，這是自燃火焰前鋒與正常燃燒火焰前鋒相互作用及自燃產生的壓力波造成的。

圖4 自燃發生前后的溫度變化

圖5示出了在溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生前的熱釋放率。圖6示出了溫度為1 100 K，壓力為0.10 MPa自燃發生時的熱釋放率。與圖1和圖2類似，由于壓力波在缸內來回振蕩，使得缸內壓力增大和溫度升高。在正常燃燒火焰前鋒的擠壓作用下，火焰前鋒附近發生了自燃。不同之處在于，隨著初始溫度的提高，自燃發生的時間也提早了。

圖5 溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生前的熱釋放率

圖6 溫度為1 100 K，壓力為0.10 MPa，自燃發生時的熱釋放率

在溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa的條件下，自燃發生在170μs。圖7示出了在該計算條件下，自燃后的壓力變化情況。由圖7可知，自燃產生的壓力波不斷增大，在右邊壁面附近達到最大值。自燃產生的壓力波是朝左右2個方向進行傳播的，但是向左是已燃區域，并不存在壓力波和火焰前鋒的相互耦合，因此壓力并沒有表現出明顯的升高。在220μs時，壓力波在右壁面被反射后向左傳播，但由于經過了壓力反射，壓力波能量明顯降低。

圖7 溫度為1 000 K，壓力為0.10 MPa，自燃后的壓力變化

比較壓力為0.10 MPa，溫度分別為900 K，1 000 K，1 100 K 時的燃燒計算結果發現，自燃火焰前鋒的速度隨著溫度的升高不斷提高，其最高速度分別為660 m/s、800 m/s和1 000 m/s以上，但這并不能簡單解釋為提升溫度可以提高自燃火焰前鋒的速度。圖8示出了壓力為0.10 MPa，溫度分別為900 K、1 000 K 和1 100 K 時發生自燃現象的溫度場。事實上，當溫度為900 K 時，自燃的溫度和壓力都是最高的，其自燃火焰前鋒的速度最低。這是因為在該條件下，自然火焰前鋒與正常燃燒火焰前鋒運動方向是完全相反的，它們之間發生了強烈的相互作用，導致自燃火焰前鋒的速度急劇降低。在發生自燃時，在該條件下未燃燒的氣體是最少的。自燃釋放出的熱量少于另外2個算例，這也是自燃火焰前鋒速度較低的原因之一。

圖8 溫度分別為900 K、1 000 K 和1 100 K，自燃發生時的溫度場

將壓力提高到0.20 MPa和0.30 MPa時，燃燒過程發生了明顯的變化。在0.10 MPa時，正常燃燒火焰前鋒的速度低于100 m/s，只有自燃的火焰前鋒才會達到較高的速度，這與文獻中一維計算區域的計算結果[7，9-10]是一致的。但在壓力提高到0.20 MPa以上時，正常燃燒火焰前鋒的速度則達到了1 000 m/s以上，這與一維計算域的計算結果不同。

圖9示出了溫度為1 100 K，壓力分別為0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，自燃發生時的溫度場。從圖9可知，當壓力為0.20 MPa和0.30 MPa時，已燃區的溫度明顯高于壓力為0.10 MPa時的溫度。當壓力提高到0.20 MPa以上時，缸內氣體自燃發生的狀況可以由氫氧爆炸極限的理論進行解釋[14]，即提高壓力對鏈分支反應與鏈中斷反應的競爭產生了影響，較高的壓力使得鏈分支反應占據了主導地位，放熱加劇，已燃區溫度及壓力提高，大大提高了燃燒火焰前鋒的速度。另一個變化是，當壓力提高到0.20 MPa以上時，在900 K 和1 000 K的初始溫度下，缸內氣體并不會發生自燃。當壓力為0.20 MPa，溫度為900 K 和1 000 K時，燃燒過程與壓力為0.30 MPa時的燃燒過程非常相近，正常燃燒的火焰前鋒逐漸加速達到1 000 m/s以上，之后火焰傳遍缸內，但并沒有發生自燃。這是由于正常燃燒火焰前鋒的速度大幅提高，未燃氣體還在滯燃期內，而火焰前鋒就已經將其引燃了。在壓力為0.05 MPa，溫度為900 K 的條件下，缸內氣體也發生了自燃，其燃燒過程與壓力為0.10 MPa時的狀況類似。

圖9 壓力分別為0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，在自燃發生時的溫度場

4 結論

以活塞運動到上止點時的氣缸截面作為計算區域，模擬了不同壓力增大、不同初始溫度條件下的爆燃燃燒過程，得出了以下主要結論。

(1)自燃發生先是由于壓力波在缸內來回振蕩，使得缸內壓力、溫度升高，之后在正常燃燒火焰前鋒的擠壓作用下，火焰前鋒附近發生了自燃。

(2)在自燃發生后，正常燃燒的火焰前鋒的壓縮作用并沒有結束，壓縮作用使得高壓范圍更小，但壓力更大。

(3)自燃并未發生在近壁面處，而發生在正常燃燒的火焰前鋒附近。已燃區域在靠近自燃區域的部分，壓力和溫度都有小幅升高。

(4)計算區域的維數對基元反應之間的競爭具有影響。