缸內(nèi)流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)快速壓縮機(jī)著火中間物種采樣測(cè)量影響的數(shù)值研究

摘要："針對(duì)燃料自燃活性表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)（NTC）效應(yīng)時(shí)的快速壓縮機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)物種采樣精度影響不明的問題，建立了燃料自燃過程物種采樣的數(shù)值模型，通過控制活塞縫隙容積在燃燒缸內(nèi)產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的氣流擾動(dòng)，探究了NTC及氣流擾動(dòng)共同作用對(duì)正丁烷混合氣自燃過程物種采樣精度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：受燃料NTC效應(yīng)的影響，兩種典型的物種采樣方法均出現(xiàn)了反向稀釋現(xiàn)象，即燃料的采樣濃度偏低，中間產(chǎn)物的采樣濃度偏高。反向稀釋與采樣方法的系統(tǒng)誤差產(chǎn)生抵消，導(dǎo)致NTC區(qū)域內(nèi)物種采樣精度受氣流擾動(dòng)的敏感性降低。抑制燃燒缸內(nèi)的氣流擾動(dòng)有利于提高采樣精度，然而在絕對(duì)無擾動(dòng)的流場(chǎng)下，整體凍結(jié)法的采樣誤差受熱邊界層作用反而會(huì)略微提高。該研究為燃料自燃過程中物種采樣實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)不確定性分析提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞："物種采樣；氣流擾動(dòng)；負(fù)溫度系數(shù)；著火延遲時(shí)間；快速壓縮機(jī)

中圖分類號(hào)："TK16"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI："10·7652/xjtuxb202408007"文章編號(hào)：0253-987X（2024）08-0060-09

Numerical Study of the Effect of In-Cylinder Airflow Disturbances on Intermediate Species Sampling in the Rapid Compression Machine

WU Yingtao， RAO Boxuan， TANG Chenglong， HUANG Zuohua

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract："The effect of in-cylinder airflow disturbances in the rapid compression machine on the species sampling accuracy remains unclear when fuel autoignition exhibits a negative temperature coefficient （NTC） effect. To solve this problem， this study establishes a numerical model for species sampling during fuel autoignition， and delves into the combined effect of NTC and airflow disturbances on the species sampling accuracy during the autoignition of a n-butane mixture， by controlling different piston crevice volumes to generate airflow disturbances of different intensities within the combustion chamber. The results show that due to the NTC effect of the fuel， both of the typical sampling methods exhibit a reverse dilution phenomenon， where the sampling concentration of the fuel is lower than expected， while that of intermediate species is higher than expected. This reverse dilution offsets the systematic errors of the sampling methods， resulting in a reduced sensitivity of the species sampling accuracy to airflow disturbances in the NTC region. Suppressing airflow disturbances within the combustion chamber is generally beneficial to the increase in the sampling accuracy. However， in an absolutely undisturbed flow field， the sampling error of the whole quenching method may even increase slightly due to the effect of the thermal boundary layer. This study provides valuable reference for the design of species sampling experiments and the uncertainty analysis of experimental data during fuel autoignition.

Keywords："species sampling; airflow disturbance; negative temperature coefficient; ignition delay time; rapid compression machine

發(fā)動(dòng)機(jī)不斷朝著高燃燒效率和低污染排放的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出均質(zhì)充量壓燃（HCCI）"［1］和燃油反應(yīng)活性控制壓燃（RCCI）"［2］等先進(jìn)燃燒技術(shù)。HCCI、RCCI技術(shù)下的燃料著火主要由其化學(xué)反應(yīng)過程主導(dǎo)，因此深入認(rèn)識(shí)燃料的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒組織和調(diào)控的關(guān)鍵。同時(shí)，先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仿真設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確的燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

燃料的基礎(chǔ)燃燒特性實(shí)驗(yàn)是構(gòu)建和驗(yàn)證其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的主要方式。燃料的基礎(chǔ)燃燒特性參數(shù)包括著火延遲期（τ"IDT）"［3］、反應(yīng)中間產(chǎn)物濃度"［4］、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?［5］及自由基濃度"［6］等。其中τ"IDT可以表征燃料的總體反應(yīng)活性，是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理驗(yàn)證的重要宏觀參數(shù)。反應(yīng)中間產(chǎn)物濃度是驗(yàn)證燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的微觀數(shù)據(jù)，反映燃料化學(xué)反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)化的內(nèi)在過程。在諸多基礎(chǔ)燃燒實(shí)驗(yàn)裝置中，快速壓縮機(jī)（RCM）與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理最為接近。RCM模擬發(fā)動(dòng)機(jī)單次壓縮沖程，通過活塞的快速壓縮在燃燒缸內(nèi)形成高溫高壓的熱力學(xué)環(huán)境，進(jìn)而使燃料發(fā)生自著火。RCM燃燒缸內(nèi)的有效熱力學(xué)環(huán)境可達(dá)200ms以上"［7］，十分適用于研究燃料在中低溫工況下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。

目前，使用RCM進(jìn)行燃料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力研究主要集中在τ"IDT的測(cè)量"［7］，得益于RCM較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間尺度，在燃燒缸壁安裝采樣裝置還可獲得燃料自著火過程中的反應(yīng)中間物種信息。He等"［8］率先在RCM上開發(fā)了快速采樣技術(shù)：通過將采樣探針連接一個(gè)快速響應(yīng)的電磁閥（響應(yīng)時(shí)間小于3ms），在燃料混合氣滯燃階段的特定時(shí)刻觸發(fā)閥門開啟-關(guān)閉，抽取小部分混合氣進(jìn)入采樣罐中。進(jìn)入采樣罐的氣體由于體積膨脹而使化學(xué)反應(yīng)迅速凍結(jié)，隨后輸入氣相色譜（GC）或氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS）進(jìn)行分析。在多次實(shí)驗(yàn)中改變采樣時(shí)刻，即可獲得燃料混合氣滯燃過程中完整的中間產(chǎn)物變化歷史。考慮到多次實(shí)驗(yàn)中著火時(shí)刻可能出現(xiàn)的變動(dòng)，物種采樣的時(shí)間通常會(huì)通過τ"IDT進(jìn)行歸一化，進(jìn)而驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測(cè)性能。另一種物理采樣方法（整體凍結(jié)法）"［9］通過在燃燒缸和采樣罐之間設(shè)置一層隔膜，在特定的采樣時(shí)刻刺穿隔膜。相比于快速采樣抽取一小部分混合氣，這種采樣方法將整個(gè)燃燒缸內(nèi)的反應(yīng)氣體凍結(jié)，因此可供分析的氣體量更大，在RCM早期的采樣研究中"［10-11］使用較多。

RCM采樣為研究燃料中低溫化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然而RCM采樣方法系統(tǒng)誤差相關(guān)的研究卻十分稀少。RCM采樣實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要系統(tǒng)誤差來自于非理想氣體的稀釋，即采樣過程一部分未經(jīng)理想熱力學(xué)條件下化學(xué)反應(yīng)的氣體進(jìn)入采樣罐，造成測(cè)量組分偏差。現(xiàn)有研究"［8，12-13］認(rèn)為，非理想氣體主要來自于采樣系統(tǒng)的余隙容積，由于散熱面積較大，余隙容積內(nèi)的氣體溫度較低，難以發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，其組分通常認(rèn)為與初始狀態(tài)一致。因此，余隙容積氣體的稀釋會(huì)導(dǎo)致燃料濃度測(cè)量值偏高而反應(yīng)中間產(chǎn)物測(cè)量值偏低（正向稀釋），采樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過定義的稀釋比（余隙容積的氣體量與采樣罐中氣體量的比值）進(jìn)行修正。

另一部分來自于熱邊界層的非理想氣體的稀釋效應(yīng)則通常被忽略。即使將采樣探針設(shè)置于燃燒缸的核心區(qū)，其壁面本身也會(huì)產(chǎn)生一定的熱邊界層，對(duì)于較長(zhǎng)滯燃時(shí)間的工況，散熱導(dǎo)致的熱邊界層影響將更為顯著。此外，由于活塞的運(yùn)動(dòng)，燃燒缸壁面的熱邊界層氣體會(huì)隨氣流擾動(dòng)到達(dá)采樣區(qū)域，熱邊界層內(nèi)的氣體溫度介于壁面溫度和核心區(qū)理想溫度之間，通常情況下造成的稀釋氣體效應(yīng)與余隙容積相同。然而，當(dāng)其溫度處于燃料的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）溫度區(qū)域時(shí)，較低溫度的熱邊界層氣體反而具有更高的反應(yīng)活性，導(dǎo)致稀釋效應(yīng)發(fā)生反轉(zhuǎn)"［14］。RCM通常采用頭部帶有縫隙的活塞結(jié)構(gòu)來抑制燃燒缸內(nèi)的氣流擾動(dòng)"［15］，但缸內(nèi)的氣流擾動(dòng)無法在所有研究工況下被完全去除"［16］。前期的研究工作"［17］表明，非NTC工況下的采樣結(jié)果對(duì)缸內(nèi)氣流擾動(dòng)十分敏感，采樣"5ms 后的稀釋比可達(dá)98%，造成物種濃度測(cè)量結(jié)果偏差50%以上。NTC工況下，缸內(nèi)的燃料反應(yīng)活性分布發(fā)生了明顯變化，氣流擾動(dòng)甚至?xí)砭植糠磻?yīng)活性的增加，RCM采樣方法受氣流擾動(dòng)的敏感性及其帶來的物種濃度測(cè)量誤差有待評(píng)估。

因此，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同缸內(nèi)氣流擾動(dòng)下的RCM著火及中間產(chǎn)物采樣過程進(jìn)行研究。使用零維均質(zhì)反應(yīng)器（0D）計(jì)算燃料在理想狀態(tài)下的著火及物種轉(zhuǎn)化過程；使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬自著火實(shí)驗(yàn)中可能存在的熱邊界層、氣流擾動(dòng)及物種輸運(yùn)等多維影響；CFD及0D模擬方法計(jì)算耦合相同的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而抵消燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理本身的誤差。將0D方法計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估CFD方法模擬中散熱及氣流擾動(dòng)等多維因素帶來的系統(tǒng)偏差。

1"研究方法

1.1"反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理及0D模擬方法

本文使用正丁烷（C4H"10）作為具有NTC特性的代表燃料，混合氣組分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的C4H"10、11%的O2和85%的N2。燃料混合氣在壓縮上止點(diǎn)的熱力學(xué)工況約為670～910K、2MPa，通過0D、CFD分別計(jì)算燃料混合氣的τ"IDT和著火過程中的物種采樣濃度。0D、CFD模擬方法計(jì)算均采用前期工作得到的正丁烷簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理"［14］，共包含42個(gè)物種和138步反應(yīng)。

[HJ1.92mm]0D模擬方法采用CHEMKIN PRO中的零維均質(zhì)反應(yīng)器，控制反應(yīng)器的體積并求解能量方程。為考慮燃燒缸內(nèi)氣體的散熱及壓縮過程中可能存在的化學(xué)反應(yīng)，0D模擬使用RCM研究中普遍采用的等效體積方法"［18］，即將RCM的壓縮、散熱等效為等熵壓縮和膨脹過程。等效體積V的計(jì)算式為

式中：p為CFD計(jì)算得到的無反應(yīng)條件下的缸內(nèi)壓力；V0、p0分別為初始時(shí)刻缸內(nèi)體積、壓力；γ為混合氣隨溫度變化的絕熱指數(shù)。

1.2"CFD模擬方法

RCM燃燒缸內(nèi)的燃料自燃及采樣過程使用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行仿真，詳細(xì)的模擬方法可參考文獻(xiàn)［15，17］。RCM燃燒缸及采樣裝置的幾何結(jié)構(gòu)均來自于西安交通大學(xué)RCM"［15］，可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱特的計(jì)算域，如圖1所示。壓縮上止點(diǎn)后的燃燒缸長(zhǎng)度約為30mm，通過一個(gè)內(nèi)徑為"1mm 的采樣探針與采樣罐相連，采樣探針深入燃燒缸內(nèi)10mm。在燃燒缸和采樣罐之間設(shè)置有一個(gè)虛擬的采樣閥，分隔兩個(gè)計(jì)算域，采樣時(shí)將其由壁面改為內(nèi)部邊界和模擬采樣時(shí)兩計(jì)算域間的傳質(zhì)過程。

計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，不同活塞結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為74375～77327，其中燃燒缸內(nèi)的最大網(wǎng)格尺寸為0.3mm，通過在壁面附近進(jìn)行加密提高熱邊界層的分辨率（最小尺寸為0.02mm）。由于采樣時(shí)燃燒缸與采樣罐間存在極大的壓力梯度，采樣閥附近的網(wǎng)格進(jìn)行了額外的加密（最小尺寸為0.001mm）。活塞的壓縮行程為300mm，并在25ms內(nèi)完成壓縮。壓縮行程的最大網(wǎng)格尺寸擴(kuò)大到0.5mm，使用層鋪的動(dòng)網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)活塞邊界的運(yùn)動(dòng)。為保證壓縮過程中的庫朗特?cái)?shù)（局部速度×?xí)r間步長(zhǎng)/網(wǎng)格尺寸）小于1，設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)小于"7μs；而采樣過程的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)則設(shè)置為0.2～"0.5μs，防止計(jì)算發(fā)散。本文CFD模擬使用的空間和時(shí)間分辨率與相關(guān)文獻(xiàn)中的設(shè)置一致或更優(yōu)，Mittal等"［19］的模擬中使用了網(wǎng)格數(shù)14000和時(shí)間步長(zhǎng)56μs，而Yousefian等"［20］的模擬中使用了網(wǎng)格數(shù)39019和時(shí)間步長(zhǎng)4μs，CFD使用的網(wǎng)格及時(shí)間步長(zhǎng)的無關(guān)性均進(jìn)行了驗(yàn)證。

CFD化學(xué)反應(yīng)流中的物種方程通過CHEMKIN-CFD求解器計(jì)算，同時(shí)考慮物種擴(kuò)散所導(dǎo)致的能量擴(kuò)散。混合氣的密度通過理想氣體狀態(tài)方程求解，比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度及質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)均基于混合平均公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所需參數(shù)來自于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的熱力學(xué)和輸運(yùn)文件"［14］。無化學(xué)反應(yīng)的CFD計(jì)算除不求解物種方程外，其他設(shè)置保持一致。本文使用二維層流進(jìn)行模擬，已有文獻(xiàn)［21］研究表明，二維層流可以較好地模擬RCM燃燒缸內(nèi)的流動(dòng)，且與三維大渦模擬得到的溫度和速度場(chǎng)十分接近。

1.3"工況設(shè)置及數(shù)據(jù)處理

RCM活塞縫隙容積的大小直接影響缸內(nèi)的氣流擾動(dòng)及溫度均勻性"［15］，因此本文選取前期工作中優(yōu)化得到的縫隙活塞（縫隙容積7435mm3，縫隙活塞2）、縫隙容積減半的活塞（縫隙容積3703mm3，縫隙活塞1）以及平頭活塞（縫隙容積0mm3），定性地在燃燒缸內(nèi)分別制造低擾動(dòng)的均勻溫度場(chǎng)、中等擾動(dòng)的半均勻溫度場(chǎng)及強(qiáng)擾動(dòng)的非均勻溫度場(chǎng)。而絕對(duì)無擾動(dòng)的溫度場(chǎng)則通過不考慮壓縮過程，直接在上止點(diǎn)后的定容腔體內(nèi)設(shè)置指定溫度、壓力和混合氣組分，具體工況設(shè)置如表1所示。工況1～4代表的氣流擾動(dòng)程度逐漸減小，對(duì)應(yīng)壓縮上止點(diǎn)0時(shí)核心區(qū)最大渦量為12500～0s"－1。

0D和CFD方法計(jì)算得到的著火時(shí)刻均定義為上止點(diǎn)后因燃燒放熱導(dǎo)致的壓力升高率的最大值處，著火時(shí)刻和0時(shí)刻的時(shí)間間隔即為τ"IDT，如圖2所示。實(shí)際物種采樣研究中，為消除重復(fù)實(shí)驗(yàn)中τ"IDT波動(dòng)造成的采樣持續(xù)期偏差，定義無量綱時(shí)間τ為上止點(diǎn)后時(shí)間與τ"IDT的比值。在物種采樣模擬中，本文針對(duì)所述的兩種采樣結(jié)果采取了與實(shí)際采樣研究一致的數(shù)據(jù)處理方法：對(duì)于快速采樣方法，物種的采樣結(jié)果取自一定采樣持續(xù)期（采樣閥門開啟時(shí)間）后采樣罐內(nèi)的平均值；對(duì)于整體凍結(jié)方法，采樣結(jié)果定義為采樣閥門不開啟下，整個(gè)燃燒缸腔體內(nèi)的組分平均值。由于CFD在絕熱壁面、無流動(dòng)的條件下可以得到與0D完全一致的結(jié)果"［22］，因此本研究中二者間計(jì)算結(jié)果（τ"IDT和物種濃度）的偏差均可歸結(jié)于多維因素的影響。

本文選取著火延遲期中間階段和臨近著火階段兩個(gè)典型時(shí)間τ=0.5，0.8進(jìn)行快速采樣。為定量描述采樣結(jié)果，選擇C4H"10與CH2O作為檢測(cè)物種，分別代表燃料與反應(yīng)中間物。為保證良好的時(shí)間分辨率，文獻(xiàn)［12，23］對(duì)于10～20ms范圍內(nèi)的快速采樣實(shí)驗(yàn)，設(shè)置其采樣持續(xù)期約為1.5～2.5ms。而對(duì)于長(zhǎng)τ"IDT（100ms左右）的工況，邊界層厚度增加，延長(zhǎng)采樣持續(xù)期可以增大來自核心區(qū)氣體進(jìn)入采樣罐的比例。考慮結(jié)果的準(zhǔn)確性和采樣時(shí)間分辨率，快速采樣持續(xù)期最佳范圍為2～3ms，最大不應(yīng)超過5ms"［17］。因此，本文設(shè)置快速采樣持續(xù)期為2、"5ms，對(duì)比不同采樣持續(xù)期對(duì)氣流擾動(dòng)作用下燃料NTC區(qū)域內(nèi)快速采樣結(jié)果的影響。

2"結(jié)果與討論

2.1"流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)溫度分布及τ"IDT的影響

工況1～4在無反應(yīng)條件下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布如圖3所示，同時(shí)也反映了缸內(nèi)的流場(chǎng)擾動(dòng)。壓縮過程中平頭活塞的頭部形成了一個(gè)大的渦旋，并在活塞的推動(dòng)下向前移動(dòng)。壓縮上止點(diǎn)τ=0時(shí)，在燃燒缸中心形成了一條冷氣塞，缸內(nèi)的初始擾動(dòng)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展了燃燒缸內(nèi)的其他部分，τ=0.7時(shí)已覆蓋至整個(gè)燃燒缸腔體。當(dāng)使用縫隙容積為3703mm3的縫隙活塞1時(shí)，上止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)氣流擾動(dòng)被極大抑制，僅在活塞頭部的外側(cè)形成了一個(gè)小尺度的渦旋，τ=0.7時(shí)燃燒缸軸線附近區(qū)域仍未受到冷氣流干擾。而當(dāng)使用縫隙活塞2時(shí)，上止點(diǎn)處的燃燒缸內(nèi)溫度分布非常均勻，即使到τ=0.7時(shí)大部分區(qū)域氣體仍未受擾動(dòng)，僅在活塞縫隙的入口處形成了一個(gè)較小的渦旋。工況4為平頭活塞且無壓縮過程，氣流擾動(dòng)被消除，僅存在熱邊界層影響。上述結(jié)果表明，所選的活塞構(gòu)型定性地實(shí)現(xiàn)了不同氣流擾動(dòng)和溫度場(chǎng)分布的目的，從平頭活塞到無壓縮的4種工況分別對(duì)應(yīng)上述強(qiáng)擾動(dòng)非均勻溫度場(chǎng)到無擾動(dòng)均勻溫度場(chǎng)的工況。

RCM缸內(nèi)溫度均勻性直接影響其τ"IDT數(shù)據(jù)的有效性，通常認(rèn)為均勻的溫度分布使RCM絕熱核心假設(shè)"［7］成立，燃料經(jīng)歷的溫度可以被0D反應(yīng)器模擬，進(jìn)而可以結(jié)合“準(zhǔn)確”的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)τ"IDT進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于獲得的物種濃度數(shù)據(jù)是燃料自著火過程時(shí)間的函數(shù)，因此準(zhǔn)確的τ"IDT測(cè)量也是RCM物種采樣的前提。為探究氣流擾動(dòng)對(duì)τ"IDT結(jié)果的影響，本文選取寬溫度范圍內(nèi)工況1～3獲得的CFD及0D的τ"IDT結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖4所示。圖4中壓縮終點(diǎn)壓力為2MPa，溫度為663～910K，散點(diǎn)為CFD模擬結(jié)果，曲線為0D模擬結(jié)果，0D模擬和CFD仿真得到的τ"IDT均表現(xiàn)出NTC效應(yīng)，3種工況下0D模擬得到的τ"IDT曲線基本一致，而強(qiáng)擾動(dòng)工況1對(duì)應(yīng)的CFD模擬結(jié)果在低溫范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的偏差。

工況1～3 τ"IDT測(cè)量誤差隨溫度的分布曲線如圖5所示，低溫區(qū)中τ"IDT對(duì)氣流擾動(dòng)較為敏感。工況1（強(qiáng)擾動(dòng)作用下）燃燒缸內(nèi)平均溫度低于理想絕熱溫度，導(dǎo)致混合氣的τ"IDT大幅延長(zhǎng)。工況2存在中等擾動(dòng)，但是CFD預(yù)測(cè)的τ"IDT誤差與工況3接近。這是因?yàn)椋M管出現(xiàn)了冷氣流擾動(dòng)，燃燒缸內(nèi)仍存在明顯的絕熱核心區(qū)域，核心區(qū)域溫度變化與理論絕熱值吻合。工況3中存在明顯絕熱核心，τ"IDT也與0D結(jié)果十分吻合；NTC區(qū)域中核心區(qū)部分氣體溫度小幅降低反而會(huì)導(dǎo)致局部反應(yīng)活性的增強(qiáng)，與更低溫度氣體造成的活性削弱作用相抵消，因此τ"IDT受氣流擾動(dòng)影響的敏感性降低，不同擾動(dòng)工況的τ"IDT與0D結(jié)果均較為接近；高溫區(qū)中τ"IDT對(duì)氣流擾動(dòng)敏感性相較于NTC區(qū)域有所提高，工況1、2的τ"IDT誤差高于NTC區(qū)，但相較于低溫區(qū)，誤差仍處于較小水平。這主要是由于燃燒缸內(nèi)仍有部分氣體溫度處于NTC溫度范圍，其活性抵消作用依然存在。對(duì)于絕對(duì)無擾動(dòng)的工況4，文獻(xiàn)［17，22］研究表明，τ"IDT誤差僅約為2%。

NTC上限溫度處（采樣工況點(diǎn)），工況3的τ"IDT的相對(duì)誤差為正（CFD方法高于0D方法），工況1的相對(duì)誤差為負(fù)，而具有中等氣流擾動(dòng)的工況2的相對(duì)誤差反而最小。這是因?yàn)橐浑A段放熱后，燃燒缸核心區(qū)的壓力升高會(huì)驅(qū)動(dòng)部分氣體進(jìn)入活塞縫隙中，導(dǎo)致實(shí)際溫度、壓力的增加較0D減少，如圖2所示，因此，與0D模擬相比，工況3中CFD得到的主著火時(shí)間被推遲，τ"IDT增大。對(duì)于工況1，強(qiáng)擾動(dòng)造成燃燒缸內(nèi)低溫區(qū)域增加，受NTC效應(yīng)的影響，這些低溫區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)活性增強(qiáng)，τ"IDT減小，因此表現(xiàn)為負(fù)偏差。工況2的活塞縫隙容積及氣流擾動(dòng)程度均介于工況1、3之間，在二者共同作用下，誤差相互抵消，因此在采樣處表現(xiàn)出最小的相對(duì)誤差。

2.2"流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)物種濃度分布及采樣影響

為探究NTC區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)采樣結(jié)果的影響，本文設(shè)置NTC溫度上限處為采樣工況點(diǎn)，如圖5所示。由于熱邊界層及冷氣流擾動(dòng)區(qū)域的氣體溫度均低于絕熱核心溫度，因此在NTC溫度上限進(jìn)行采樣，可以最大程度體現(xiàn)NTC效應(yīng)對(duì)采樣結(jié)果的影響，同時(shí)保證τ"IDT數(shù)據(jù)的有效性。

τ=0.5，0.8時(shí)，不同工況下燃燒缸內(nèi)的C4H"10與CH2O分布如圖6所示。工況1強(qiáng)烈的氣流擾動(dòng)加劇了物種分布的不均勻性。受NTC效應(yīng)的影響，燃燒缸中低溫?cái)_動(dòng)區(qū)域的燃料（C4H"10）濃度偏低，而中間產(chǎn)物（CH2O）濃度偏高，這與非NTC工況下氣流擾動(dòng)的影響規(guī)律相反。工況2中，氣流擾動(dòng)強(qiáng)度降低，擾動(dòng)區(qū)出現(xiàn)與工況1類似的情況。燃燒缸其余部分不存在氣流擾動(dòng)，熱邊界層中局部在NTC效應(yīng)的影響下出現(xiàn)偏高的燃料消耗及中間產(chǎn)物生成。工況3、4氣流擾動(dòng)被極大程度的抑制，NTC的影響集中在熱邊界層，絕熱核心區(qū)物種分布均勻。

本文探究了快速采樣法和整體凍結(jié)法2種典型采樣方法受流場(chǎng)擾動(dòng)的影響，如圖7所示，圖中上半部分表示燃料，下半部分表示中間產(chǎn)物。快速采樣結(jié)果繪制在采樣持續(xù)期中點(diǎn)，水平方向的誤差棒設(shè)置為持續(xù)時(shí)間的一半（±1ms，±2.5ms），與文獻(xiàn)［23-24］所采用的方法相同。整體凍結(jié)法和0D模擬結(jié)果在整個(gè)τ"IDT范圍內(nèi)繪制。

2.2.1"整體凍結(jié)法

整體凍結(jié)法與0D模擬方法結(jié)果變化趨勢(shì)相似：初始階段，C4H"10質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降緩慢，τ=0.75之后，下降速度增大；中間產(chǎn)物CH2O的物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)在初始階段均接近0%；隨后CH2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升，在τ=0.8附近達(dá)到最大值后快速降低。

反應(yīng)中前期，即τ lt; 0.7時(shí)，4種工況下整體凍結(jié)法的采樣結(jié)果均呈現(xiàn)燃料偏低，而中間產(chǎn)物偏高的現(xiàn)象，與非NTC工況下采樣結(jié)果被稀釋的規(guī)律相反"［17］。這是由于氣流擾動(dòng)導(dǎo)致燃燒缸內(nèi)出現(xiàn)局部的低溫區(qū)域，在NTC效應(yīng)的作用下局部C4H"10消耗速率及CH2O生成速率增高，導(dǎo)致采樣結(jié)果中C4H"10質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于準(zhǔn)確值，CH2O高于準(zhǔn)確值，即反向稀釋。從工況1到工況4，隨著氣流擾動(dòng)的降低，整體凍結(jié)法的采樣誤差逐漸減小。熱邊界層及活塞縫隙中還存在少部分溫度更低（NTC溫度下限至壁溫）的氣體，仍會(huì)產(chǎn)生一定的正向稀釋，與反向稀釋效應(yīng)相抵消。總體而言，氣流擾動(dòng)帶來的反向稀釋效應(yīng)產(chǎn)生的誤差更大，采用縫隙活塞抑制氣流擾動(dòng)能夠有效提高整體凍結(jié)采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性。反應(yīng)末期，即τ gt; 0.8時(shí)，0D模擬結(jié)果中的C4H"10、CH2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸下降到0%，而整體凍結(jié)采樣結(jié)果中的C4H"10、CH2O均存在一定量的殘余，這主要是由于散熱導(dǎo)致的熱邊界層內(nèi)燃料及中間組分無法完全反應(yīng)的結(jié)果，特別是當(dāng)活塞縫隙存在時(shí)，縫隙中高速的氣流運(yùn)動(dòng)使其散熱更為嚴(yán)重，進(jìn)入活塞縫隙中的反應(yīng)物及中間產(chǎn)物更難以發(fā)生后續(xù)的反應(yīng)。對(duì)于工況2、3，隨著活塞縫隙容積的增加，反應(yīng)末期殘留的燃料和中間產(chǎn)物濃度也逐漸增多，而工況1（無活塞縫隙）強(qiáng)擾動(dòng)的存在會(huì)破壞穩(wěn)定的熱邊界層，加劇了熱邊界層和內(nèi)部氣體組分的擴(kuò)散，因此其組分殘余量最少。

采用合適的活塞縫隙可有效抑制氣流擾動(dòng)，此時(shí)整體凍結(jié)的采樣誤差主要來源于熱邊界層和活塞縫隙中較低溫度的氣體。整體凍結(jié)采樣的研究中"［14］可以引入稀釋比對(duì)活塞縫隙產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)進(jìn)行修正，而熱邊界層的存在對(duì)整體凍結(jié)采樣結(jié)果影響同樣顯著。當(dāng)前燃燒缸尺寸下，熱邊界層厚度為1mm時(shí)，其總體積約為8635mm3，甚至略大于與工況3活塞縫隙容積7 435mm3，且隨著散熱的持續(xù)時(shí)間增加，熱邊界層厚度越大，造成的影響也越大。

2.2.2"快速采樣法

由快速采樣法的結(jié)果可知，隨著氣流擾動(dòng)程度的減小，采樣結(jié)果與0D結(jié)果的偏差呈減小趨勢(shì)。特別的，當(dāng)采樣持續(xù)期為2ms、τ=0.5時(shí)工況1中的快速采樣結(jié)果與整體凍結(jié)法基本一致，這是因?yàn)閺?qiáng)擾動(dòng)削弱燃燒缸內(nèi)的物種濃度梯度，進(jìn)入采樣探針的混合氣成分接近于燃燒缸內(nèi)的平均水平。而工況2中，快速采樣得到的兩物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0D模擬的結(jié)果相對(duì)更為接近，這是因?yàn)椴蓸犹结樃浇嬖谳^強(qiáng)程度的氣流擾動(dòng)，氣體溫度下降程度較大，NTC作用下的反向稀釋與更低溫度氣體的正向稀釋相抵消的結(jié)果。工況3、4中的氣流擾動(dòng)程度更小，采樣結(jié)果的誤差主要來源于探針表面形成的熱邊界層的反向稀釋作用，因此其采樣結(jié)果均呈現(xiàn)燃料濃度略微偏低而中間產(chǎn)物略微偏高的現(xiàn)象。

探針內(nèi)固有氣體與其壁面熱邊界層氣體在采樣初始階段被采集，之后核心區(qū)氣體進(jìn)入采樣罐。延長(zhǎng)采樣持續(xù)期可以增加來自核心區(qū)氣體的比例，因此本文還探究了采樣持續(xù)期為5ms時(shí)的采樣精度。結(jié)果表明：τ=0.5時(shí)，延長(zhǎng)快速采樣持續(xù)期對(duì)結(jié)果影響很小，兩種持續(xù)期的結(jié)果基本處于同一趨勢(shì)；當(dāng)τ=0.8時(shí)，持續(xù)期5ms的采樣結(jié)果更接近于標(biāo)準(zhǔn)值。這是因?yàn)榉磻?yīng)中期混合氣的溫度處于NTC范圍，熱邊界層及探針內(nèi)部分氣體（高溫部分）的反向稀釋效應(yīng)與另一部分氣體（低溫部分）產(chǎn)生的正向稀釋相抵消，采樣精度隨核心區(qū)氣體比例的增加變化不明顯；而接近著火時(shí)，受一階段反應(yīng)放熱的影響，燃燒缸內(nèi)氣體的溫度已升高至NTC范圍外，且物種濃度變化劇烈，較長(zhǎng)的采樣持續(xù)期使更多反應(yīng)后期的氣體組分進(jìn)入，抵消了熱邊界層及探針內(nèi)固有氣體的稀釋作用，因而精度提高明顯。

2.3"不同采樣方法適用性分析

反應(yīng)中期，兩種采樣方法在不同擾動(dòng)工況下采樣結(jié)果的相對(duì)誤差如圖8所示。隨著燃燒缸內(nèi)氣流擾動(dòng)的減小，兩種方法的采樣誤差總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。工況1～3，整體凍結(jié)法的采樣誤差單調(diào)降低，工況4的誤差略有提升，而快速采樣法在工況2下出現(xiàn)了明顯的局部偏差較小的現(xiàn)象，這是由于前文提及的正反向稀釋效應(yīng)抵消的結(jié)果。NTC范圍內(nèi)，當(dāng)燃燒缸內(nèi)的強(qiáng)氣流擾動(dòng)得到抑制時(shí)，快速采樣法的精度提高更為明顯，而進(jìn)一步降低氣流擾動(dòng)對(duì)兩種方法采樣精度的提升作用均有限。

以上研究表明，NTC范圍內(nèi)快速采樣法的結(jié)果具有更強(qiáng)的魯棒性，實(shí)驗(yàn)中即使燃燒缸內(nèi)存在一定程度的氣流擾動(dòng)，其采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性依然能夠得到保證。整體凍結(jié)法適用于反應(yīng)中前期的采樣，且需保證燃燒缸內(nèi)具有較為均勻的流場(chǎng)分布，其采樣精度與快速采樣法相當(dāng)。反應(yīng)后期接近著火時(shí)，整體凍結(jié)的采樣方法由于受到燃燒缸壁面熱邊界層和活塞縫隙中殘余氣體的影響，采樣結(jié)果的偏差較大，實(shí)際研究應(yīng)用中需進(jìn)行修正。快速采樣法在臨近著火時(shí)刻仍可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，此時(shí)應(yīng)主要考慮時(shí)間方向的誤差。

3"結(jié)"論

本文基于RCM反應(yīng)器，采用CFD與0D數(shù)值模擬方法，對(duì)C4H"10混合物在NTC區(qū)域自燃過程的物種采樣不確定度進(jìn)行了研究，對(duì)比了不同氣流擾動(dòng)情況下混合氣τ"IDT以及兩種典型采樣方法的物種濃度結(jié)果。以0D模擬結(jié)果為基準(zhǔn)，獲得了燃燒缸內(nèi)氣流擾動(dòng)程度對(duì)τ"IDT和不同采樣方法物種濃度結(jié)果準(zhǔn)確性的影響規(guī)律。

（1）低溫區(qū)中τ"IDT對(duì)氣流擾動(dòng)較為敏感，強(qiáng)氣流擾動(dòng)下，燃燒缸內(nèi)平均溫度低于理想絕熱溫度，混合氣的τ"IDT大幅延長(zhǎng)，而當(dāng)燃燒缸內(nèi)存在明顯絕熱核心時(shí)，即使存在一定程度的氣流擾動(dòng)，τ"IDT與0D結(jié)果仍十分吻合；NTC區(qū)域中τ"IDT對(duì)氣流擾動(dòng)敏感性較低，不同擾動(dòng)工況的τ"IDT與0D結(jié)果均較為接近；高溫區(qū)中τ"IDT對(duì)氣流擾動(dòng)敏感性相較于NTC區(qū)域有所提高，氣流擾動(dòng)帶來的τ"IDT誤差高于NTC區(qū)，但相較于低溫區(qū)，誤差仍處于較小水平。

（2）整體凍結(jié)法與0D模擬的物種濃度結(jié)果變化趨勢(shì)相似。反應(yīng)中前期，不同氣流擾動(dòng)工況下的采樣結(jié)果均呈現(xiàn)燃料偏低，而中間產(chǎn)物偏高的現(xiàn)象；反應(yīng)末期，由于散熱導(dǎo)致的熱邊界層內(nèi)燃料及中間組分無法完全反應(yīng)消耗，0D模擬結(jié)果中的燃料和中間產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸下降到0%，而整體凍結(jié)采樣結(jié)果中的燃料和中間產(chǎn)物均存在一定量的殘余。

（3）對(duì)于快速采樣法，隨著氣流擾動(dòng)程度的減小，采樣結(jié)果與0D結(jié)果的偏差呈減小趨勢(shì)。燃料NTC效應(yīng)的影響下，氣流擾動(dòng)帶來的反向稀釋與采樣的系統(tǒng)誤差存在抵消現(xiàn)象。反應(yīng)中前期，不同持續(xù)期的結(jié)果基本處于同一趨勢(shì)；反應(yīng)后期，較長(zhǎng)持續(xù)期的采樣結(jié)果更接近于標(biāo)準(zhǔn)值。

整體而言，NTC范圍內(nèi)的快速采樣結(jié)果具有更強(qiáng)的魯棒性，實(shí)驗(yàn)中即使燃燒缸內(nèi)存在一定程度的氣流擾動(dòng)，其采樣結(jié)果的準(zhǔn)確性依然能夠得到保證。整體凍結(jié)法適用于反應(yīng)中前期的采樣，且需保證燃燒缸內(nèi)具有較為均勻的流場(chǎng)分布，其采樣精度與快速采樣法相當(dāng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］常國(guó)峰. 快速壓縮機(jī)的開發(fā)及其在HCCI燃燒研究中的應(yīng)用 ［D］. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2006.

［2］繆雪龍. RCCI新燃燒技術(shù)綜述 ［J］. 現(xiàn)代車用動(dòng)力， 2014（1）： 6-13.

MIAO Xuelong. RCCI combustion review ［J］.Modern Vehicle Power， 2014（1）： 6-13.

［3］張齊英， 姜雪， 劉曦宇， 等. 二甲醚摻混對(duì)氨高溫著火延遲期的影響 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 57（9）： 79-86.

ZHANG Qiying， JIANG Xue， LIU Xiyu， et al. Effects of dimethyl ether addition on the high temperature ignition delays of ammonia ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（9）： 79-86.

［4］張鵬. 基于快速壓縮機(jī)的燃燒基元反應(yīng)速率測(cè)量 ［D］. 北京： 清華大學(xué)， 2018.

［5］劉兵， 李春艷， 孫天旗， 等. 離子電流法測(cè)量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)研究 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 49（1）： 40-45.

LIU Bing， LI Chunyan， SUN Tianqi， et al. Measurement for speed of CH4/H2 blends with ionic current method ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2015， 49（1）： 40-45.

［6］吳君軍， KHALED F， FAROOQ A， 等. 甲酸乙酯與羥基自由基氫提取反應(yīng)速率常數(shù)的量化計(jì)算與激波管實(shí)驗(yàn) ［J］. 氣體物理， 2018， 3（6）： 9-15.

WU Junjun， KHALED F， FAROOQ A， et al. A combined theoretical and experimental study on the reaction kinetics of ethyl formate with the hydroxyl radical ［J］. Physics of Gases， 2018， 3（6）： 9-15.

［7］SUNG C J， CURRAN H J. Using rapid compression machines for chemical kinetics studies ［J］. Progress in Energy and Combustion Science， 2014， 44： 1-18.

［8］HE X， WALTON S M， ZIGLER B T， et al. Experimental investigation of the intermediates of isooctane during ignition ［J］. International Journal of Chemical Kinetics， 2007， 39（9）： 498-517.

［9］FENARD Y， BOUMEHDI M A， VANHOVE G. Experimental and kinetic modeling study of 2-methyltetrahydrofuran oxidation under engine-relevant conditions ［J］. Combustion and Flame， 2017， 178： 168-181.

［10］"MARTINENGO A， MELCZER J， SCHLIMME E. Analytical investigations of stable products during reaction of adiabatically compressed hydrocarbon air mixtures ［J］. Symposium International on Combustion， 1965， 10（1）： 323-330.

［11］"COX A， GRIFFITHS J F， MOHAMED C， et al. Extents of alkane combustion during rapid compression leading to single-and two-stage ignition ［J］. Symposium "International on Combustion， 1996， 26（2）： 2685-2692.

［12］"KARWAT D M A， WAGNON S W， TEINI P D， et al. On the chemical kinetics of n-butanol： ignition and speciation studies ［J］. The Journal of Physical Chemistry. 2011， 115（19）： 4909-4921.

［13］"RAMALINGAM A， FENARD Y， HEUFER A. Ignition delay time and species measurement in a rapid compression machine：a case study on high-pressure oxidation of propane ［J］. Combustion and Flame， 2020， 211： 392-405.

［14］"[JP+3]WU Y， MAI Z， RAO B， et al. Understanding the[JP+3] "reversal [JP+4]dilution effect of the species sampling in the negative temperature coefficient region ［J］. Fuel， 2023： 129443.

［15］"WU Y， YANG M， TANG C， et al. Promoting “adiabatic core” approximation in a rapid compression machine by an optimized creviced piston design ［J］. Fuel， 2019， 251： 328-340.

［16］"MOLANA M， GOYAL T， SAMIMI A O. Measurement and simulation of n-Heptane mixture autoignition ［J］. Industrial amp; Engineering Chemistry Research， 2021， 60（38）： 13859-13868.

［17］"WU Y， KONG X， FEI L， et al. Numerical study toward fast intermediate species sampling with high accuracy in a rapid compression machine ［J］. Energy amp; Fuels， 2022， 36（23）： 14361-14370.

［18］"SARATHY S M， PARK S， WEBER B W， et al. A comprehensive experimental and modeling study of iso-pentanol combustion ［J］. Combustion and Flame， 2013， 160（12）： 2712-2728.

［19］"MITTAL G， SUNG C J. Aerodynamics inside a rapid compression machine ［J］. Combustion amp; Flame， 2006， 145（1/2）： 160-180.

［20］"YOUSEFIAN S， GAUTHIER F， MORNGUERRERO A， et al. A simplified approach to the prediction and "analysis of temperature inhomogeneity in rapid compression machines ［J］. Energy amp; Fuels， 2015， 29： 8216-8225.

［21］"YOUSEFIAN S， QUINLAN N J， MONAGHAN R F D. Simulation of turbulent flow in a rapid compression machine：large eddy simulation and computationally efficient alternatives for the design of ignition delay time experiments ［J］. Fuel， 2018， 234： 30-47.

［22］"WU Y， TANG C， YANG M， et al. Evaluation of non-ideal piston stopping effects on the\"adiabatic core\"and ignition delay time simulation in rapid compression machines ［J］. Combustion and Flame， 2020， 218： 229-233.

［23］"ZHANG P， LI S， WANG Y， et al. Measurement of reaction rate constants using RCM：a case study of decomposition of dimethyl carbonate to dimethyl ether ［J］. Combustion and Flame， 2017， 183： 30-38.

［24］"WAGNON S W， KARWAT D M A， WOOLDRIDGE M S， et al. Experimental and modeling study of methyl trans-3-Hexenoate autoignition ［J］. Energy amp; Fuels， 2014， 28（11）： 7227-7234.

（編輯"趙煒）