氫氣射流特性研究

近些年來，隨著人口的不斷增加與經濟的不斷發展，全球能源系統正處于向清潔能源轉型的過程。氫能作為一種無碳能源載體，在汽車領域具有廣泛的應用前景，對我國實現“碳達峰”和“碳中和”目標具有重要意義。近年來，我國逐漸重視氫能行業的發展，并發布了一系列政策法規以促進其技術研發和示范應用。由于氫氣射流直接影響氫氣發動機混合氣的形成，進而影響發動機的燃燒效率，因此若想要實現氫氣發動機安全且高效率運行，對氫氣射流特性的研究則至關重要。

鄧俊等2進行了在氬氣和氮氣氛圍下的氫氣射流模擬研究，結果發現不同噴射壓力下，射流前期的射流貫穿距差異很小，射流中期隨著噴射壓力的增加而減小，射流后期隨噴射壓力增加而增大。劉政等[3基于紋影法研究了氬-氧氛圍中不同壓力下的氫氣射流特性，結果表明氫氣射流錐角隨噴射過程的發展逐漸減小，后趨于穩定。X.WANG等4通過紋影法研究外開式噴孔在不同噴射壓力和環境壓力下的氫氣射流特性，結果表明氫氣射流在近場呈現錐形，遠場呈現出球形渦流結構。鄒銀[5對甲烷-空氣預混氛圍下的噴氫射流特性進行了研究，結果表明，射流貫穿距隨著噴射壓力的增加而增加，隨著環境背壓的增加而減小。李雪芳等利用數值模擬的方法研究了高壓欠膨脹氫氣射流的激波結構，得到了不同壓力比下激波結構的形態和特征尺寸，包括馬赫盤的位置、直徑和邊界層厚度等，并將計算結果與試驗測量結果進行了比較，發現當泄漏源壓力在 3MPa 及以上時，數值模擬可以成功計算欠膨脹射流的激波結構。J.DENG等通過紋影法測量氬氣氛圍中非反應性 和 射流的特性，結果發現相同條件下氫氣的射流穿透距離更大，氣體射流的擴散角隨噴射壓力和環境壓力的增大而略有增大。張策等[8基于紋影法在定容噴射裝置上進行了不同噴射壓力、環境壓力下的氫氣射流特性試驗，發現隨著噴射壓力的增加，其軸向及徑向穿透深度增加；隨著環境壓力的增加，射流軸向及徑向穿透深度降低，射流錐角的增大幅度減小，且隨著射流時間的延長而減小，直至達到 。F.DURONIO 等[9]將甲烷和氫氣欠膨脹射流進行比較，結果表明氫氣較甲烷穿透速度更快，并呈現出更發達的渦流結構，可增強空氣與燃料的混合。

現有研究多數針對在氬氣、氮氣及甲烷-空氣預混下的氫氣射流特征參數變化，很少有在純空氣氛圍下的氫氣射流以及不同因素對氫氣射流馬赫盤參數影響變化的研究，并且隨著純氫氣發動機的發展，在純空氣下的氫氣射流研究極為重要。因此本研究基于Converge軟件建立了氫氣直噴定容彈仿真模型，對純空氣下的氫氣射流進行了系統探索和研究。通過光學定容彈試驗及數值仿真，對缸內直噴氫氣射流特性進行研究，分析了不同噴射壓力、環境壓力及環境溫度對氫氣射流特性的影響，為氫氣射流特性的研究提供了參考。

1仿真平臺的建立

1.1仿真模型的建立及湍流模型的選擇

仿真模型由高壓噴射器、噴孔和定容彈構成，如圖1所示。由于實際噴射過程復雜且缺乏詳細的噴射器幾何形狀參數，噴射器的結構被簡化為直徑15mm 、長 10mm 的圓柱體，其內部充滿氫氣。柱形噴孔采用直徑為 1mm 、長 10mm 的直管。定容彈的三維建模比較簡單，即直徑 108mm 、高 的圓柱體。氣缸內部的環境氣體設定為空氣。基于模擬時間成本和試驗觀測范圍，將噴射起始和噴射結束時刻分別設定為 0ms 和 0.3ms 。求解器采用瞬態可壓縮模型，算法采用壓力隱式分裂算子（PISO）算法，因為其在瞬態問題下適用范圍更大且適用于可壓縮流體[10]，還能夠處理較大的時間步長，從而在一定程度上可提高計算效率。時間積分使用變時間步長格式，范圍在 0.1～1.0μs 。由于采用隱式格式求解，并且考慮到研究內容是氫氣射流宏觀特征參數的變化規律，同時兼顧仿真時間成本，CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）數可以取大一些，最大對流、擴散和基于馬赫數的CFL數值限制分別為1.0，2.0和50.0。

為了獲得更好的可信度、更高的精度和更低的計算成本，氫氣射流仿真模擬選取基于RANS方法的RNG 模型作為湍流模型。

1.2射流結構參數定義

本研究選用射流貫穿距、射流錐角及馬赫盤參數作為氫氣射流的宏觀特征參數，特征參數示意見圖2。射流貫穿距 L 定義為射流前端氫氣質量分數為0.05時與噴孔出口間的距離，如圖2a所示。射流錐角 θ 為從噴孔出口兩端發出并包含射流主體的兩條射線間的夾角，如圖2b所示。采用等效梯形法[3計算射流錐角，由于射流遠場為渦球形，較射流近場形狀變化較大，因此將小于 L/2 的射流部分等效為等腰梯形，等效的等腰梯形面積為 s ，出口處的射流直徑為 d ，則射流錐角的計算如式（1）所示。

馬赫盤高度定義為馬赫盤到噴孔出口的距離，馬赫盤寬度定義為馬赫盤的直徑[2，如圖2c所示。

1.3 網格無關性驗證

Converge采用了高級網格剖分法，能夠在計算時自動地產生適配體網格?；趪娚鋾r刻和持續時間，采用自適應網格加密（AMR）和嵌入式網格策略進行網格的局部細化，實現更高的效率和求解精度[11]。加密等級表示在初始網格大小的基礎上再次發生加密的次數。式（2）為自適應加密等級 與最小網格尺寸 的關系。

其中 為網格的初始尺寸。仿真計算結果的精度不僅與網格初始尺寸有關，還與自適應加密等級有關，加密等級越高，網格細化程度越好，模擬出的結果越精確。圖3示出氫氣射流的網格分布情況。由圖3可以看到，在射流過程中溫度與壓力變化大的地方，網格密度在加密后變化很明顯。隨著網格密度的增大，計算的網格數量增多，計算時間延長。自適應加密等級為5級之后，計算結果的精度增長與計算時間成本不成正比，因此選擇最高自適應加密等級為5級。

為研究網格密度對氫氣射流仿真過程的影響，選擇初始網格尺寸為2mm，4mm和 8mm ，自適應加密等級分別為2級、4級、5級，并對計算結果進行比較，探究不同初始網格尺寸、不同加密等級對氫氣射流貫穿距及射流錐角的影響。表1示出驗證網格無關性時的模擬參數，計算結果如圖4和圖5所示。可以看出射流貫穿距隨著射流發展逐漸增大， 2mm 與 4mm 網格的模擬結果具有很高的一致性，所以2mm 網格與 4mm 網格相比并沒有顯著提升，而8mm 網格的模擬結果與其他網格相比有較大差別。3種初始網格的射流錐角計算結果在整個射流過程中相差并不大。因此綜合考慮仿真精度以及時間成本的要求，選擇初始網格為 4mm 、自適應加密等級為4級來進行氫氣射流數值模擬。

1.4仿真模型驗證

氫氣射流試驗臺架如圖6所示。圖7示出通過高速紋影系統拍攝到的氫氣射流試驗圖像與數值模擬氫氣濃度云圖結果的對比?？梢钥闯稣麄€射流過程中試驗的射流輪廓與數值模擬的輪廓相吻合，在誤差允許的范圍內，可以認為采用的氫氣射流模型準確。圖8示出噴射壓力為 4MPa ，環境壓力分別為 0.2MPa，0.6MPa 和 1.0MPa 下氫氣射流貫穿距的數值模擬與試驗結果的比較。從圖8可以發現，射流過程中模擬曲線在試驗曲線上下波動且波動范圍很小，這驗證了模型的準確性，還表明數值模擬能夠準確地預測氫氣射流行為。

2不同因素對氫氣射流特性影響分析

2.1噴射壓力對氫氣射流特性的影響

氫氣發動機中氫氣以較高的噴射壓力從噴嘴噴出，這對氫氣噴射系統的要求極高，但由于目前儲氫技術有限，加之從安全性考慮，噴射壓力不能過高。目前儲氫瓶壓力一般為 15～20MPa ，結合工程實際，本研究針對噴射壓力在 4～8MPa 間的氫氣射流進行研究。圖9示出了在環境壓力為 0.2MPa 0不同噴射壓力下，氫氣質量分數隨射流時間變化的云圖。可以看出，相同環境壓力下，隨著噴射壓力的升高氫氣射流貫穿距逐漸增大。這是因為隨著噴射壓力的增大，更多的能量注入到射流中，使得氫氣分子具有更高的初速度和更遠的傳播距離。

圖10示出在環境壓力 0.2MPa 下，不同噴射壓力對氫氣射流貫穿距的影響。隨著噴射壓力的升高，氫氣射流貫穿距逐漸增大。在噴射時間為0.3ms s時，與噴射壓力為4MPa時的射流貫穿距中 40.74mm相比，噴射壓力為5MPa，6 MPa =7MPa 和 的射流貫穿距分別升高了 7.54%13.72% ， 19.07% 和 23.59% ，說明在環境壓力保持不變的情況下，提高噴射壓力可以有效地增加氫氣射流的貫穿距。然而，隨著噴射壓力的增加，射流貫穿距的增量逐漸減小。這意味著雖然增加噴射壓力可以帶來一定的貫穿距提升，但這種提升效果隨著噴射壓力的增加而逐漸減弱。

對于射流貫穿距隨時間的變化趨勢，以噴射壓力 為例，在 0.1～0.2ms 時間段內，射流貫穿距由 28.52mm 增至 41.56mm ，增量達到了13.04mm ；而在 0.2～0.3ms 時間段內，射流貫穿距由 41.56mm 增至 50.35mm ，增量為 8.79mm ，說明了射流貫穿距的增長速度隨著時間增加逐漸減慢。

圖11示出在環境壓力 0.2MPa 下，不同噴射壓力對氫氣射流錐角的影響。在射流初期 （0.01ms） ，隨著噴射壓力從高到低，射流錐角分別為 和 ，說明在射流起始階段較高的噴射壓力會導致較大的射流錐角。隨著射流發展，不同噴射壓力下射流錐角都開始收斂，最終在 左右達到穩定狀態，說明當射流達到穩定狀態時，噴射壓力對射流錐角的影響變得不再顯著。這可能是由于射流與環境氣體之間達到了一種動態平衡狀態，在這種狀態下，射流的擴散和阻礙作用相對穩定，使得射流錐角的變化不再受噴射壓力的影響。

圖12示出了在不同噴射壓力下，馬赫盤高度和寬度的變化曲線。整個過程中馬赫盤高度始終大于馬赫盤寬度。隨著噴射壓力的增大，馬赫盤高度和寬度都逐漸增大。當噴射壓力從 4MPa 增加到 時，馬赫盤高度從 3.04mm 增加到 4.12mm ，變化率為 35.53% ，同時，馬赫盤寬度從 1.65mm 增加到 2.4mm ，變化率為 45.45% ，說明馬赫盤寬度對噴射壓力的變化更為敏感。圖13示出環境壓力0.2MPa 、不同噴射壓力下的氫氣射流溫度分布云圖。其中馬赫盤寬度和高度與圖12的數據相對應。從圖13中可以看出，環境壓力相同時，隨著噴射壓力的升高馬赫盤寬度和高度都逐漸增大。

2.2環境壓力對氫氣射流特性的影響

由于氫氣射流發生在進氣沖程，此時排氣過后缸內的余壓使得缸內壓力高于常壓，并且由于壓縮使缸內壓力升高，因此研究了環境壓力為 0.2～ 0.4MPa 間的氫氣射流特征參數變化。圖14示出在噴射壓力為 ，不同環境壓力 （0.4MPa 0.3MPa 和 0.2MPa， 下氫氣射流的質量分數隨時間變化的云圖。從圖中可以看出，隨著環境壓力的升高射流貫穿距逐漸減小。這是由于環境壓力越高，環境氣體對氫氣射流的阻礙作用越明顯。

圖15示出在噴射壓力為 8MPa 下，不同環境壓力對氫氣射流貫穿距的影響。在相同的噴射壓力下，射流貫穿距隨著環境壓力的降低而增大，并且這種增加的幅度隨著環境壓力的降低而逐漸增大。在噴射時間為 0.3ms 時，與環境壓力為 0.4MPa 時的射流貫穿距 （40.87mm ）相比，環境壓力 0.35MPa ，0.30MPa，0.25MPa 和 0.20MPa 下的射流貫穿距依次增加了 4.14% ， 9.30% ， 15.63% 和 23.20% ，說明環境壓力越低射流貫穿距的增加越顯著。

在不同的時間段內，射流貫穿距的增長速度有所不同。在射流初期 （0.1～0.2ms） ，環境壓力為0.3MPa 的條件下，射流貫穿距從 25.37mm 增加到36.66mm ，增量達到了 11.29mm ，而在射流發展的中后期 （0.2～0.3ms） ，射流貫穿距的增長速度有所放緩，從 36.66mm 增加到 44.67mm ，增量為8.01mm 。這是由于射流初期噴孔出口射流的動量較大，射流能夠迅速穿透環境氣體，導致射流貫穿距快速增大。而隨著射流的發展，環境氣體對射流的阻礙作用逐漸凸顯，使得射流貫穿距的增長速度逐漸放緩。

圖16示出噴射壓力為 8MPa 下，環境壓力對氫氣射流錐角的影響。在射流初期 內），射流錐角經歷了一個迅速減小的階段。這是由于射流初期欠膨脹氫氣射流在噴嘴出口處迅速膨脹，使其徑向擴散速度大于軸向擴散速度，造成了 時徑向穿透距離大于軸向射流貫穿距，從而導致射流錐角非常大。而 后，由于噴嘴出口處氫氣具有很大的動量，使軸向射流貫穿距遠大于徑向擴散距離，導致了射流錐角迅速減小。隨著射流的發展，環境氣體對射流的阻礙作用逐漸變得穩定，射流錐角的下降速度也隨之減緩。在 0.1ms 之后，射流錐角以非常緩慢的速度繼續下降，這表明射流與環境氣體之間的相互作用逐漸達到了一種平衡狀態。盡管環境壓力對射流錐角有明顯的影響，但5種環境壓力下的射流錐角最終都穩定在一個相對狹窄的范圍內 ，說明在一定的噴射壓力和環境壓力范圍內，射流錐角的變化具有一定的自限性。

圖17示出在不同環境壓力下馬赫盤高度和寬度的變化曲線。從圖17可以看出，馬赫盤高度和寬度都隨環境壓力的增大而減小。當環境壓力從0.2MPa 上升到 0.4MPa 時，馬赫盤高度從 4.12mm 降低到 ，降幅達到了 27.91% 。同時，馬赫盤寬度從 2.4mm 減小到 1.65mm ，降幅為 31.25% 。這意味著環境壓力的變化對馬赫盤寬度的影響比對高度的影響更為顯著。

圖18示出噴射壓力 、不同環境壓力的氫氣射流溫度分布云圖。其中馬赫盤寬度和高度與圖17數據相對應。從圖18可以發現，隨著環境壓力的升高馬赫盤寬度和高度都在減小，進一步證實了上述的仿真結果。

2.3環境溫度對氫氣射流特性的影響

氫氣發動機工作時氫氣射流發生在排氣之后燃燒之前，此時缸內溫度接近常溫，在壓縮沖程時，由于缸內氣體被壓縮，溫度會更高，因此本研究對環境溫度為 300～700K 間的氫氣射流特征參數變化進行了研究。圖19示出不同環境溫度下的氫氣質量分數云圖。從圖19可以看出，隨著環境溫度的升高，射流貫穿距逐漸增大。這是由于環境溫度升高，定容彈內空氣密度變小，使氫氣射流擴散阻力更小，從而使得射流貫穿距增大。

圖20示出了噴射壓力為 6MPa 、環境壓力為0.2MPa 下，環境溫度對射流貫穿距的影響。在噴射時間為 0.3ms 時，環境溫度為 500K 和 700K 的條件下，射流貫穿距分別為 50.79mm 和 54.71mm 。與環境溫度為 時的射流貫穿距 46.33mm 相比，環境溫度為 500K 和 700K 時的射流貫穿距分別增加了 9.63% 和 18.09% 。說明隨著環境溫度的升高射流貫穿距增大的幅度逐漸減小。

對于射流貫穿距隨時間的變化趨勢，以環境溫度為 500K 為例，在 0.1～0.2ms 時間段內，射流貫穿距由 29.70mm 增大至 42.30mm ，增大了 42.42% .而在 0.2～0.3 ms時間段內，射流貫穿距由 42.30mm 增大至 50.79mm ，增大了 20.07% ，說明射流貫穿距的增長速度隨著射流的發展而逐漸減慢。

圖21示出了噴射壓力為 6MPa 、環境壓力為0.2MPa 下，環境溫度對射流錐角影響的變化趨勢。從圖21可以發現，在 時，隨著環境溫度升高射流錐角逐漸減小，這是由于在射流初期噴嘴出口處氫氣動量大，并且環境溫度升高造成了射流貫穿距增大，導致了此時軸向穿透速度大于徑向穿透速度，從而使射流錐角減小。

隨著射流的發展，環境溫度對射流錐角的影響逐漸減弱。在 0.1ms 之后，不同環境溫度下的射流錐角曲線幾乎重合，并且最終穩定在 的范圍內。說明在其他條件不變的情況下，射流錐角在后期對環境溫度的變化變得不敏感，此時環境溫度的變化對射流錐角的影響不再顯著。

圖22示出在噴射壓力為 6MPa 、環境壓力為0.2MPa 下，環境溫度對氫氣射流馬赫盤參數的影響。環境溫度從 300K 升高到 700K 的過程中，馬赫盤高度和寬度的變化并不明顯。說明在所研究的溫度范圍內，馬赫盤高度和寬度對環境溫度的變化并不敏感。

圖23示出噴射壓力 6MPa 、環境壓力 0.2MPa 下，不同環境溫度下的氫氣射流溫度分布云圖。圖中 T 對應各組模擬的環境溫度。圖中馬赫盤寬度和高度與圖22數據相對應。從圖中可以發現，隨著環境溫度的升高，馬赫盤對射流核心區的溫度影響越來越大。

3結論

a）在相同的環境壓力下，射流貫穿距隨著噴射壓力的升高而增大，并且增長幅度逐漸減??；射流錐角隨著噴射壓力的升高而增大；馬赫盤高度和寬度隨著噴射壓力的升高而增大，馬赫盤寬度對噴射壓力的變化更敏感；

b）在相同的噴射壓力下，射流貫穿距隨著環境壓力的降低而增大，并且增長幅度逐漸增大；射流錐角隨著環境壓力的升高而減?。获R赫盤高度和寬度隨著環境壓力的升高而減小，馬赫盤寬度對環境壓力的變化更敏感；

c）在相同噴射壓力和環境壓力下，射流貫穿距隨環境溫度升高而增大，并且增長幅度逐漸減?。簧淞麇F角隨著環境溫度的升高而減小；隨著環境溫度的升高，馬赫盤高度和寬度的變化并不明顯；

d）在實際應用中，噴射壓力、環境壓力及環境溫度是影響氫氣射流特性的重要因素，通過合理地控制這些因素，可以有效地增大氫氣的擴散范圍，從而改善燃料噴射過程的性能，對于優化氫氣噴射系統的設計和提高氫氣噴射效率具有重要意義。

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HydrogenJetCharacteristics

LIU Yuang1，XIE Fangxi1，2，WU Tong，MA Shuzhe3，ZHANG Liang3，JIANG Beiping2 （1.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 13oo22，China；

2.State KeyLboratoryof Automotive Simulationand Control，Jilin University，Changchun13oo25，China；

3.FAW Foundry Co.，Ltd.，Changchun 130o13，China）

Abstract：Asacleanandeficientenergysource，theapplicationofhydrogeninthefieldofenginesisgraduallyreceivingmore atention.Ahydrogen jetsimulationmodelwasestablished basedonConverge software.Then，theresultsofschlierentest werecomparedwiththecalculatedresultsofmodelintermsofcontour，jetpenetrationdistanceandjetconeangle，andtheaccuracyofmodel wasverified.Theefectsofdiferent injectionpressures，ambientpressuresandambienttemperaturesonthe characteristicsof hydrogenjetwerefurtheranalyzed.Theresultsshowthatthejetpenetrationdistance increases withtheincreaseof injectionpressure，andtheincrementalrangedecreases graduall.Thejetconeangle increases withthe increaseof injectionpressure.TheheightandwidthofMachdiskincreasewiththeincreaseofinjectionpressure.Withthedecreaseofambient pressure，thejetpenetrationdistance increasesand theincrementalrangeincreases gradualy.Withthe increaseofambient pressure，boththejetconeangleandthe heightand widthof Machdisk decrease.With theincreaseofambient temperature， thejetpenetrationdistance increasesand theincrementalrangedecreasesgradually，whilethejetconeangledecreases.The height and width of Mach disk hardly change with the ambient temperature fluctuation.

Key words：hydrogen fuel；jet；jet penetration distance；jet cone angle；Mach disk parameter

[編輯：姜曉博]