袁文華 ， 黃雅蘭 ， 伏 軍 ， 黃啟科 ， 李光明 ， 王本亮

（1.邵陽(yáng)學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；2.邵陽(yáng)學(xué)院高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng) 422000）

柴油機(jī)微粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）是一種能夠有效降低微粒產(chǎn)物排放的后處理裝置，并且在其眾多的主動(dòng)再生技術(shù)中，噴油助燃再生的燃料直接來(lái)源于柴油機(jī)自身的燃料，取用方便[1-4]，不需要消耗汽車(chē)電池所提供的能量，對(duì)柴油的含硫量沒(méi)有特定的要求[5-6]，且容易實(shí)現(xiàn)對(duì)在用車(chē)的改造。

基于課題組前期工作，為了研究旋流數(shù)對(duì)燃燒器的流場(chǎng)特性是如何影響的，本文提出了一種新型的雙旋流DPF再生燃燒室結(jié)構(gòu)，使用了流體仿真軟件分析了兩種燃燒室的冷態(tài)流暢特性，討論兩種供風(fēng)系統(tǒng)下速度、溫度和湍動(dòng)能分布特性，為DPF噴油助燃再生燃燒器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模型介紹

1.1 物理模型

圖1是本文所提出的兩種供氣形式下DPF噴油助燃再生旋流燃燒器的簡(jiǎn)化模型，其中a）為單旋流供風(fēng)時(shí)的簡(jiǎn)化模型，其特點(diǎn)為只有一個(gè)旋流供風(fēng)入口；b）為雙旋流供風(fēng)時(shí)的簡(jiǎn)化模型，其特點(diǎn)為擁有內(nèi)外兩個(gè)旋向相反的旋流供風(fēng)入口。按照各部分的功能不同，兩種燃燒器均可以分為油氣混合室、燃燒室、過(guò)濾體段和總排氣段四個(gè)部分。

圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

1.2 流體域模型建立

運(yùn)用三維軟件繪制出微粒捕集器用燃燒器模型，由于傳感器的安裝方式以及連接處的密封性對(duì)燃燒器內(nèi)部流體的整體流動(dòng)特征影響極小，故而忽略傳感器的安裝方式和連接處的密封。

考慮壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體的作用是對(duì)柴油機(jī)尾氣顆粒進(jìn)行捕集[7-8]，并不參與燃燒，在滿(mǎn)足數(shù)值仿真可行性的前提下，考慮計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)資源的消耗，可以去掉一些不必要的環(huán)節(jié)，從而加快整個(gè)數(shù)值仿真計(jì)算的速度，因此在計(jì)算過(guò)程中將過(guò)濾體段和總排氣段看成了一個(gè)壓力出口，將其出口靜壓設(shè)置為15 kPa。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的畫(huà)法，將網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)置為0.2 mm，保證網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上。

1.3 計(jì)算模型與邊界條件

1.3.1 湍流模型

SSTk-ω湍流模型在湍流黏度方面考慮了湍流剪應(yīng)力傳播帶來(lái)的影響，能夠更精確地測(cè)量反壓力梯度引起的分離點(diǎn)和分離區(qū)大小，也會(huì)有更好的可信度和精度，由于雙旋流燃燒器的湍流流動(dòng)比較復(fù)雜，所以選擇了SSTk-ω模型來(lái)模擬旋流器的流動(dòng)狀態(tài)。其流動(dòng)方程如式（1）和式（2）所示：

式中，Gk為湍流的動(dòng)能；Gω為ω方程；Γk和Γω分別代表k和ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk和Yω分別代表k和ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω代表正交發(fā)散項(xiàng)；Sk和Sω是用戶(hù)自定義。

1.3.2 入口邊界條件

對(duì)于SSTk-ω湍流模型，湍流動(dòng)能k使用近似公式來(lái)估算[9]，式（3）為近似公式：

式（3）中，uavg為平均流動(dòng)速度；I為湍流強(qiáng)度。

根據(jù)式（4）計(jì)算所得湍流強(qiáng)度I：

式（4）中，ρ為流體密度；v為流體流動(dòng)速率；dH為管道的特征長(zhǎng)度；μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)。

采用相應(yīng)湍流強(qiáng)度和水力直徑來(lái)替代dH和L數(shù)值，見(jiàn)公式（5）：

式（5）中，A為流過(guò)截面面積；L為流動(dòng)的特征長(zhǎng)度；lc為流經(jīng)截面上流體濕潤(rùn)周長(zhǎng)，即為油氣入口截面上所流過(guò)截面的周長(zhǎng)。

設(shè)置進(jìn)口邊界條件為速度入口，設(shè)定進(jìn)口溫度為303 K，由公式（3）～（5）計(jì)算出進(jìn)口的湍流邊界條件，包含的湍流強(qiáng)度和水力直徑，具體設(shè)置如表1所示。

2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)燃燒模型，根據(jù)表1所示的邊界條件，分析其中心回流區(qū)、尾氣燃燒室的流場(chǎng)特性。

表1 入口邊界條件

2.1 旋流器數(shù)量對(duì)燃燒器內(nèi)速度的影響

回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度是常被用于評(píng)價(jià)旋流燃燒器性能的兩個(gè)指標(biāo)[10]。兩種旋流器均能形成一個(gè)穩(wěn)定的中心回流區(qū)，這個(gè)區(qū)域能夠有效加強(qiáng)油氣卷吸、混合，并且可以增加可燃混合氣在燃燒室的停留時(shí)間、將火焰穩(wěn)定在燃燒室中部，能夠提高燃燒的完全程度，并且對(duì)于降低NOx的生成量具有重要的作用。

雙旋流燃燒器的中心回流區(qū)長(zhǎng)度明顯短于單旋流燃燒器。雙旋流燃燒器內(nèi)的中心回流區(qū)形成了一個(gè)類(lèi)似于“葫蘆”的形狀，這是由于雙旋流燃燒器的內(nèi)外旋流器旋向不同，加之增加一個(gè)旋流器后空氣進(jìn)口的面積增加使得空氣進(jìn)入燃燒室后速度變低，導(dǎo)致了回流區(qū)長(zhǎng)度明顯短于單旋流器。

燃燒器內(nèi)中心回流區(qū)的形成是由于旋流器的作用使得空氣流入時(shí)在靠近壁面的一圈形成了一圈速度較快的區(qū)域，這樣就令靠近中心軸線(xiàn)的區(qū)域形成了一個(gè)低壓區(qū)，這個(gè)低壓區(qū)卷吸著從排氣入口排入的柴油機(jī)尾氣，從而形成了一個(gè)穩(wěn)定的中心回流區(qū)。并且兩種旋流燃燒器在突擴(kuò)位置均能夠形成局部回流，這一塊回流區(qū)貼近燃燒器突擴(kuò)及燃燒器壁面，被稱(chēng)為重附著區(qū)，這個(gè)區(qū)域的局部回流能夠有效促進(jìn)燃燒時(shí)高溫氣流將突擴(kuò)末端的空氣卷吸進(jìn)燃燒氣體內(nèi)以進(jìn)一步完成燃燒過(guò)程，突擴(kuò)的誘導(dǎo)作用加強(qiáng)了該部位的湍流強(qiáng)度，形成局部的湍流效應(yīng)和旋渦運(yùn)動(dòng)，渦團(tuán)的產(chǎn)生、發(fā)展、移動(dòng)和破碎加快了燃燒反應(yīng)速率或火焰?zhèn)鞑ニ俾?，有利于改善火焰末端缺氧部位的燃燒穩(wěn)定性。對(duì)兩個(gè)燃燒器的速度矢量圖進(jìn)行對(duì)比不難看出，雙旋流燃燒器的重附著區(qū)面積較單旋流燃燒器更大，即在雙旋流燃燒器突擴(kuò)位置的油氣混合及火焰穩(wěn)定性?xún)?yōu)于單旋流燃燒器，加強(qiáng)了油氣混合區(qū)外圍的氣流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，對(duì)保證全局范圍內(nèi)均勻的油氣混合物的形成更為有利。

2.2 旋流器數(shù)量對(duì)排氣管中心截面速度的影響

雙旋流燃燒器形成了多個(gè)小的繞流區(qū)，而單旋流燃燒器產(chǎn)生的繞流區(qū)則更大，在繞流的作用下，尾氣入口管處會(huì)形成局部回流區(qū)，通過(guò)局部回流區(qū)內(nèi)的可燃混合氣與尾氣的摻混、燃燒與擴(kuò)散，以及對(duì)回流區(qū)外未燃?xì)怏w的不斷卷吸，可以有效維持燃燒的過(guò)程。

3 結(jié)論

1）兩種旋流器均能形成一個(gè)穩(wěn)定的中心回流區(qū)，增加旋流燃燒器供風(fēng)口的旋流數(shù)后，空氣進(jìn)口的面積增加，使得空氣進(jìn)入燃燒室后速度變低，導(dǎo)致了雙旋流燃燒器回流區(qū)長(zhǎng)度明顯短于單旋流燃燒器。

2）兩種旋流燃燒器在突擴(kuò)位置均能夠形成重附著區(qū)，雙旋流燃燒器的重附著區(qū)面積較單旋流燃燒器更大，即在雙旋流燃燒器突擴(kuò)位置的油氣混合及火焰穩(wěn)定性?xún)?yōu)于單旋流燃燒器，加強(qiáng)了油氣混合區(qū)外圍的氣流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，對(duì)保證全局范圍內(nèi)均勻的油氣混合物的形成更為有利。

3）兩種旋流器均在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣入口管軸線(xiàn)兩側(cè)形成了繞流，雙旋流燃燒器形成了多個(gè)小的繞流區(qū)，而單旋流燃燒器產(chǎn)生的繞流區(qū)則更大。通過(guò)繞流促進(jìn)了可燃混合氣與尾氣的摻混、燃燒與擴(kuò)散，以及對(duì)回流區(qū)外未燃?xì)怏w的不斷卷吸，可以有效維持燃燒的過(guò)程。