湯遠(yuǎn)， 伏軍， 陳偉， 馬儀， 朱治國

(邵陽學(xué)院機(jī)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(yuǎn)， 伏軍， 陳偉， 馬儀， 朱治國

(邵陽學(xué)院機(jī)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(wěn)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(chǎn)生穩(wěn)定回流區(qū)的機(jī)理，設(shè)計一套旋流式噴油助燃再生裝置，對其流體性能進(jìn)行仿真計算，得到其速度、壓力以及溫度等參數(shù)分布。結(jié)果表明，供給新鮮空氣時在油氣混合室中心部位產(chǎn)生流速25 m/s的回流，發(fā)動機(jī)高溫廢氣受回流作用能對可燃混合氣進(jìn)行加熱和促進(jìn)混合，在突擴(kuò)部位產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)回流區(qū)能夠持續(xù)將高溫氣體卷入燃燒室，對提高火焰穩(wěn)定性具有重要意義。

微粒捕集器； 再生； 燃燒器； 回流區(qū)； 計算流體動力學(xué)

當(dāng)前，柴油機(jī)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(shù)燃料直接取自發(fā)動機(jī)所用柴油,能量利用率高，響應(yīng)速度快[1-3]，同時受燃油品質(zhì)影響較小，適合我國當(dāng)前國情。然而，噴油助燃再生存在燃燒穩(wěn)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(jié)構(gòu)等方面的影響以及排氣和新鮮空氣補(bǔ)給等復(fù)雜因素相互作用，容易造成燃燒不穩(wěn)定甚至燃燒中斷和產(chǎn)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(dǎo)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(wěn)定性，擬利用新鮮空氣進(jìn)氣產(chǎn)生火焰旋轉(zhuǎn)區(qū)，從而在其末端負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生穩(wěn)定回流，促進(jìn)燃油和新鮮空氣的混合循環(huán)，并利用燃燒室回流區(qū)的已燃混合氣持續(xù)點燃未燃混合氣，從而達(dá)到促進(jìn)燃油混合、穩(wěn)定火焰的目的[7-8]，降低因油氣混合不均產(chǎn)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(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點[9-12]，因此，擬采用CFD仿真技術(shù)，建立燃燒器流體運(yùn)動區(qū)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(jìn)行分析，得到噴油助燃再生裝置內(nèi)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(qū)特性，為微粒捕集器噴油助燃燃燒器參數(shù)設(shè)計和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 計算模型

1.1 幾何模型

為了能夠在混合室內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)氣流，達(dá)到在油氣混合室末端產(chǎn)生回流區(qū)的目的，在原有微粒捕集器的基礎(chǔ)上，加裝能夠產(chǎn)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(jìn)氣管供給新鮮空氣，并根據(jù)再生所需噴油量與油氣混合比，通過流量閥調(diào)節(jié)流量和流速，達(dá)到合理的進(jìn)氣流量，進(jìn)而在混合室末端產(chǎn)生一個穩(wěn)定的回流區(qū)，促進(jìn)油氣混合和燃燒持續(xù)進(jìn)行。圖1示出了設(shè)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(qū)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(jié)構(gòu)為多孔介質(zhì)，在Fluent仿真過程中需要計算設(shè)置相關(guān)的多孔介質(zhì)參數(shù)等[13]，為簡化計算并為后續(xù)安裝傳感器以及設(shè)計再生策略等研究打下基礎(chǔ)，僅考慮再生裝置內(nèi)部流場特性。對噴油助燃再生裝置的仿真邊界條件進(jìn)行簡化：1)不考慮發(fā)動機(jī)排氣速度和溫度波動的影響，計算過程認(rèn)為排氣速率和溫度均為常數(shù)，不考慮燃油噴射霧化對新鮮空氣的參數(shù)影響；2)相對于新鮮空氣質(zhì)量流量，其噴入的燃油質(zhì)量較小，因此忽略燃油對新鮮充量參數(shù)的影響，同時不考慮發(fā)動機(jī)排氣成分變化對計算參數(shù)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(shè)備對流體流動性能的影響。

在網(wǎng)格劃分軟件ICEM中對上述流體計算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前處理，同時，考慮到多孔介質(zhì)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(jìn)行分割處理，以便于在Fluent中對多孔介質(zhì)進(jìn)行屬性參數(shù)定義。而由于模型無復(fù)雜流體區(qū)域和表面，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即可滿足計算要求[14]。同時，為了提高計算精度，在網(wǎng)格劃分過程中在模型近壁面處生成一定厚度的較高質(zhì)量的邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約32萬，其結(jié)果見圖3。

1.3 初始條件與邊界條件

根據(jù)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(shè)計的噴油助燃再生裝置入口直徑等參數(shù)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(guī)格體積和發(fā)動機(jī)排量，取為5.67 L，經(jīng)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(shè)計為15 mm；ν為進(jìn)氣速率，由上述公式計算得到，約為84.1 m/s。

入口湍流強(qiáng)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(shù)為

(4)

式中：d為新鮮空氣入口直徑;ρ為介質(zhì)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(shù)，常溫時空氣動力黏度系數(shù)為μ=17.9×10-6Pa·s；經(jīng)計算l=0.035 6，即湍流強(qiáng)度為3.56%，充分發(fā)展的湍流管流中的混合長度最大值為508 mm。選取發(fā)動機(jī)3 000 r/min轉(zhuǎn)速、80%負(fù)荷的常用工況作為參數(shù)采集點，測量發(fā)動機(jī)排氣溫度和最大平均流速Vaf的數(shù)值作為仿真初始條件，經(jīng)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(zhì)的定義與求解計算，壁流式陶瓷過濾體3個方向阻力系數(shù)中，沿過濾體軸向的阻力系數(shù)不同于其他兩個方向，需要分別測量計算設(shè)定，而多孔介質(zhì)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(zhì)阻力系數(shù)C2的壓力損失系數(shù)為

(8)

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

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)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(fā)動機(jī)排氣流入再生裝置，以及同時進(jìn)行新鮮空氣供給和發(fā)動機(jī)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(chǎn)生壓力急劇變化的多孔介質(zhì)。同時考慮到因多孔介質(zhì)的存在不能采用Second-Order計算，而且阻力系數(shù)較大對計算收斂產(chǎn)生一定影響，因此，求解采用First-Order精度和默認(rèn)欠松弛因子，并根據(jù)計算過程中收斂殘差變化情況適當(dāng)予以調(diào)節(jié)[19]。

圖4示出了未供給新鮮空氣時裝置內(nèi)部流場特性計算結(jié)果。

由圖4分析可知，發(fā)動機(jī)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(zhì)方向流速減小。同時由于廢氣氣流速度較高，導(dǎo)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(jìn)行，因此應(yīng)考慮對排氣入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)傾斜化改進(jìn)，促使發(fā)動機(jī)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(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)高速廢氣持續(xù)流入過濾器，在入口后方產(chǎn)生一個壓力較高的高壓區(qū)，并以此高壓區(qū)為核心，周圍壓力逐步降低，對減小發(fā)動機(jī)排氣背壓有一定積極作用。在DPF內(nèi)部，壓力呈逐步降低的階梯式分布趨勢，與DPF結(jié)構(gòu)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(fā)動機(jī)排氣中，湍流往往會產(chǎn)生較嚴(yán)重的噪聲和較大的阻力[20-22]，由圖4e可知，發(fā)動機(jī)廢氣進(jìn)入再生裝置時，其湍動能較大區(qū)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(jìn)行穩(wěn)定，減少其湍流現(xiàn)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(chǎn)生一個流向燃燒室的較高速度區(qū)域，而由于旋流作用在混合室段中心產(chǎn)生一個逆向的回流區(qū)，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(fā)動機(jī)廢氣入口正對底部突擴(kuò)部位產(chǎn)生一個較完整回流區(qū)，流速達(dá)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(zhuǎn)回流區(qū)將高溫氣體輸送至油氣混合段對可燃混合氣進(jìn)行預(yù)加熱，其中，中心回流區(qū)的溫度達(dá)到480 K，而突擴(kuò)部位的回流區(qū)溫度則高達(dá)750 K，有利于可靠點燃混合氣。同時，在DPF內(nèi)部溫度分布相對較為均勻，對再生的穩(wěn)定性有重要貢獻(xiàn)[23]，而且溫度均勻分布對降低DPF內(nèi)部熱應(yīng)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(qū)移動至廢氣入口正對位置貼近壁面部位，可進(jìn)一步降低燃燒器內(nèi)壓力對發(fā)動機(jī)排氣背壓的影響，而由于再生裝置內(nèi)部氣體流量增大，其整體壓力均比單純進(jìn)行發(fā)動機(jī)排氣過程要高。在DPF出口處壓力達(dá)到1.03 kPa，低壓區(qū)主要分布在產(chǎn)生回流區(qū)域部位，這一結(jié)果對開展后續(xù)的傳感器布置和再生策略設(shè)計等工作具有重要參考意義。

3 結(jié)束語

采用雙支進(jìn)氣管供給新鮮空氣會在再生裝置油氣混合部位產(chǎn)生一個旋流回流區(qū)，高溫廢氣在回流作用下進(jìn)入油氣混合室，對可燃混合氣進(jìn)行加熱有利于其油氣混合過程的進(jìn)行，并且利用突擴(kuò)部位產(chǎn)生的旋流能夠持續(xù)加熱可燃混合氣，對保證再生過程穩(wěn)定可靠具有重要意義。供給新鮮空氣時，DPF內(nèi)部流速和壓力分布更加均勻。同時，由于發(fā)動機(jī)廢氣入口結(jié)構(gòu)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(yīng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

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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(chuàng)新平臺開放基金項目(12K130)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊支持計劃資助項目(湘教通[2012]318號)；湖南省邵陽學(xué)院研究生創(chuàng)新項目(CX2014SY016)

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

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

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.017

TK421.5

B

1001-2222(2015)03-0081-06