王晨辰，鄭尊清，王?滸，堯命發(fā)，章?嚴

不同環(huán)境下噴霧燃燒碳煙演化歷程的數(shù)值模擬

王晨辰，鄭尊清，王?滸，堯命發(fā)，章?嚴

(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室)

針對柴油發(fā)動機在不同負荷下碳煙排放特征的演變和發(fā)展，依據(jù)ECN噴霧定容燃燒實驗中碳煙的測量數(shù)據(jù)，基于OpenFOAM開源軟件噴霧燃燒求解器，耦合半經(jīng)驗現(xiàn)象學碳煙預測模型．通過-關(guān)系圖呈現(xiàn)環(huán)境因素改變對碳煙形成及氧化各階段的影響，分析各子過程的分布區(qū)域和演化規(guī)律，進而提出環(huán)境條件對碳煙生成及演化歷程的影響機制．研究結(jié)果表明：現(xiàn)象學模型本身能夠較好地反映碳煙的分布情況．碳煙生長主要發(fā)生在當量比＞3區(qū)域；而碳煙發(fā)生氧化的區(qū)域，也是OH主要分布的區(qū)間，大多位于當量比＜2的位置．環(huán)境溫度和密度的增加初期促進了碳煙的成核，加劇了顆粒的聚并速率，使得顆粒數(shù)顯著下降；而環(huán)境氧體積分數(shù)的增加抑制了碳煙顆粒數(shù)的增長和聚并速率，使碳煙整體尺寸趨于小尺寸、高密度的分布情況．

碳煙；定容燃燒；OpenFOAM；數(shù)值模擬

隨著環(huán)境問題日益受到關(guān)注，有害物的排放已然成為制約內(nèi)燃機發(fā)展的重要因素之一．碳煙顆粒(PM)是內(nèi)燃機有害排放的重要組成部分，其形成原因主要是由于燃料的不完全燃燒．內(nèi)燃機排放的碳煙顆粒尺寸通常為納米級，雖然在總排放物中質(zhì)量占比不高，但數(shù)量很大，呈現(xiàn)典型的彌散性，容易長期懸浮于空氣中，導致霧霾的產(chǎn)生．過去的排放法規(guī)主要對碳煙排放的質(zhì)量進行限制，在歐Ⅴ及之后排放法規(guī)中，除對內(nèi)燃機顆粒排放的質(zhì)量上有了嚴格的限制外，更是要求對碳煙排放的數(shù)密度進行控制．近期有關(guān)內(nèi)燃機排放碳煙顆粒物的研究中[1]，顆粒物粒徑和數(shù)密度逐漸成為關(guān)注的重點，也必將是今后內(nèi)燃機排放的主要研究方向之一．

碳煙的形成包含了復雜的物理和化學過程，為深入分析碳煙生成機理進而為碳煙排放控制提供理論指導，需要構(gòu)建碳煙生成過程的理論模型．在碳煙排放預測模型方面，國內(nèi)外學者開展了大量研究工作，發(fā)展了經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型以及詳細模型等不同適用范圍的碳煙預測模型[2]．早期最為成熟并被廣泛應用的碳煙模型為Hiroyasu等[3]提出的兩步法模型，通過Arrhenius公式，依據(jù)燃料的質(zhì)量分布得到碳煙的生成速率，依據(jù)碳煙的質(zhì)量分布計算碳煙的氧化速率．Wang等[4-7]在研究PAHs的生成過程時，提出了脫氫加乙炔(HACA)的反應機理，并在后續(xù)碳煙模型的表面生長過程得到了應用和發(fā)展．Tao等[8]首次提出以乙炔為前驅(qū)物的多步現(xiàn)象學模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了包含燃料熱分解、前驅(qū)物形成、碳煙初始核形成等在內(nèi)的9步法碳煙模型[9]．Jia等[10]提出了一個改進的以乙炔為前驅(qū)物的多步法現(xiàn)象學碳煙模型，在乙烯對沖火焰中進行了實驗驗證，并在柴油均質(zhì)壓燃(HCCI)模式下的碳煙排放研究中得到應用．Leung等[11]為模擬分析柴油HCCI模式碳煙的形成和氧化過程，將簡化的正庚烷機理與碳煙現(xiàn)象學模型進行耦合，并用新的模型與乙烯火焰對沖實驗結(jié)果進行對比，很好地預測了乙烯火焰中碳煙的產(chǎn)量和分布情況. Vishwanathan等[12]基于Leung發(fā)展的半經(jīng)驗碳煙模型，改用A4(pyrene)作為碳煙成核的前驅(qū)物，準確預測了碳煙隨環(huán)境溫度和壓力變化的發(fā)展趨勢．

目前，基于半經(jīng)驗現(xiàn)象學模型的研究工作取得很大進展，可以在一定程度上分析碳煙生成氧化過程的影響機制和變化規(guī)律．本文基于Vishwanathan等改進的碳煙現(xiàn)象學模型，應用本課題組發(fā)展的TRF/PAH簡化化學反應動力學機理[13]，補充了從苯到更大PAH芘(A4)的簡化機理描述．基于以上兩種模型開展正庚烷燃料定容燃燒噴霧實驗模擬研究，分析初始環(huán)境條件變化引起的碳煙生成氧化等過程的發(fā)展趨勢，為后續(xù)開展發(fā)動機排放的數(shù)值模擬工作做準備．

1?碳煙模型理論

以Tao等[8]為代表發(fā)展的半經(jīng)驗模型通過求解質(zhì)量分數(shù)和顆粒數(shù)密度兩個輸運方程，描述包括氣相PAH成核、表面生長、顆粒間聚并以及氧化在內(nèi)的碳煙發(fā)展過程．在Vishwanathan模型中，碳煙的形成過程被描述為有關(guān)碳煙質(zhì)量分數(shù)soot和顆粒數(shù)密度soot的兩個輸運方程，這里將soot輸運方程兩邊所有項同除以一個歸一化因子norm，得到的兩個輸運方程如式(1)、(2)所示：

式中：t為湍流施密特數(shù)，本文設(shè)為0.7；代表單位體積混合物內(nèi)碳煙的質(zhì)量；代表載流體的動力學黏度；nuc為單位質(zhì)量混合物中碳煙的數(shù)密度；norm為歸一化因子．為簡化計算使用，本模型設(shè)為1015；而表示碳煙的熱泳系數(shù)，采用文獻[11]提供的公式計算得到：

其中參數(shù)為0.9．式(1)、(2)的最后一項為源項，用來描述碳煙的顆粒動力學過程：

顆粒的動力學描述包含成核、表面生長、聚并以及OH和O2的氧化，其速率分別由式(5)中的1、2、3、4和5表示，c(s)為C元素的摩爾質(zhì)量，nuci為成核前驅(qū)物的摩爾質(zhì)量．大量研究表明[8-12]，采用A4作為碳煙成核的前驅(qū)物，用芘的二聚化描述碳煙的成核過程，可以實現(xiàn)對碳煙發(fā)展趨勢的準確捕捉．因此這里nuci采用A4的摩爾質(zhì)量．表面生長遵守Wang等[7]的HACA規(guī)則．顆粒的凝并過程采用Smoluchowski方程描述，假設(shè)顆粒尺寸是均勻分布的，且凝并過程與顆粒的體積分數(shù)v和顆粒的數(shù)量有關(guān)，因此顆粒數(shù)由于凝并減少的速率如下：

其中co表示碰撞速率：

假設(shè)碳煙顆粒是球形，則為2，B為玻爾茲曼常數(shù)：

碳煙受O2的氧化作用利用Nagle和Strickland-Constable(NSC)[14]模型描述，模型將碳煙顆粒表面的活性點位分為兩類，一類是活性較強的a點，占百分比為；一類是活性較弱的b點，占比為1-．表面氧化速率為：

其中、a、b和z等變量分別通過以下方程求得：

其中O2為氧氣的分壓．

碳煙受OH的氧化通過Neoh等[15]的經(jīng)驗公式描述：

2?模型驗證

2.1?噴霧模型的驗證

數(shù)值模擬研究基于OpenFOAM開源軟件平臺，OpenFOAM是一款基于C＋＋語言開發(fā)和編譯的通用CFD平臺，具有開源、擴展性強和接口豐富等優(yōu)點，可以修改和制定所需的模型和求解器，適應不同的需求．

模擬參考的實驗設(shè)置和數(shù)據(jù)來源于美國圣地亞國家實驗室提供的正庚烷單孔定容噴霧實驗Spray-H[17]．本文中，容彈被簡化為高 108mm，直徑80mm的圓柱體，噴油器設(shè)置在容彈頂部中心處，噴孔直徑0.1mm，噴油錐角為10°．網(wǎng)格數(shù)約28萬，網(wǎng)格在靠近軸心處進行局部加密，最小的網(wǎng)格尺寸為0.25mm，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證保證精度，定容燃燒彈模型如圖1所示．

圖1?定容燃燒彈幾何模型

本文使用OpenFOAM平臺提供的噴霧燃燒求解器sprayFoam，耦合經(jīng)驗、半經(jīng)驗碳煙模型，選正庚烷為燃料，其余噴霧、燃燒等子模型如表1所列．

表1?主要的CFD模型

Tab.1?Main sub-models in CFD simulation

模擬燃燒前需要對噴霧基準算例進行標定，標定工況為初始壓力4.33MPa、環(huán)境溫度1000K、環(huán)境氧體積分數(shù)為0的無反應工況，其余條件見表2．

表2?定容燃燒彈環(huán)境參數(shù)

Tab.2 Environmental parameters of constant volume combustion vessel

根據(jù)選定的模型和邊界條件，通過數(shù)值模擬得到Spray-H基準工況下噴霧的液相貫穿距和氣相貫穿距，并與實驗值進行對比．如圖2所示．模擬的結(jié)果與實驗測量值基本吻合．

從模擬得到的數(shù)據(jù)中提取沿軸線的混合分數(shù)，以及位于軸線坐標20mm處、沿徑向混合分數(shù)曲線，將兩者與實驗值進行對比，如圖3(a)、(b)所示，圖中虛線表示允許的誤差范圍，結(jié)果表明誤差基本在5%范圍內(nèi)．噴霧過程的模擬結(jié)果與實驗值基本相符，后續(xù)模擬研究均基于此噴霧設(shè)定開展．

圖3 無反應條件下實驗與模擬得到的穩(wěn)定混合后燃料摩爾分數(shù)分布

2.2?碳煙模型對比和評估

模型的選取對正確預測碳煙的發(fā)展過程至關(guān)重要．這里對幾種主流碳煙模型的模擬結(jié)果進行評估，如圖4所示．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選取環(huán)境氧體積分數(shù)為15%、初始溫度為1000K、壓力為4.27MPa的條件為基準，取軸線上的碳煙體積分數(shù)分布曲線，即圖4中黑色曲線，與相同邊界條件下不同模型模擬得到的碳煙體積分數(shù)分布曲線進行對比．

圖4?幾種碳煙模型預測結(jié)果對比

兩步法模型由于依據(jù)燃料的質(zhì)量計算碳煙的生成速率，忽略了成核等碳煙形成的過程，因此預測得到的碳煙分布和數(shù)值和實驗相比，有較大差異．碳煙分布位置偏上游，分布形狀并不相似；半經(jīng)驗多步現(xiàn)象學模型預測的碳煙分布與實驗值更接近．Tao的九步法模型由于假設(shè)乙炔為碳煙成核前驅(qū)物的來源，預測得到的碳煙峰值偏上游；Vishwanathan等[12]采用A4作為碳煙的成核前驅(qū)物，預測的碳煙分布形狀和峰值位置與實驗結(jié)果最接近，但整體輪廓顯得更寬．

結(jié)合內(nèi)燃機缸內(nèi)熱力學情況，考慮以不同初始環(huán)境發(fā)動機缸內(nèi)壓力、氧體積分數(shù)以及環(huán)境溫度條件為研究背景，以正庚烷為柴油替代燃料，研究碳煙生成氧化過程演化趨勢．擬選取表3所列發(fā)動機環(huán)境進行模擬研究，將不同初始環(huán)境氧體積分數(shù)及環(huán)境壓力條件下預測得到的碳煙空間分布情況與實驗值對比，結(jié)果如圖5所示．

表3?初始環(huán)境參數(shù)

Tab.3?Initial environmental parameters

圖5中(a)、(b)和(c)分別對應環(huán)境溫度1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分數(shù)為10%、15%和21%三種工況點中模擬和測量得到的碳煙空間分布；圖5(d)為相同環(huán)境溫度下，初始氧體積分數(shù)為15%、密度30kg/m3條件下模擬和測量得到的碳煙空間分布．可以看出，Vishwanathan模型能夠準確描述Spray-H碳煙隨環(huán)境氧體積分數(shù)、密度改變情況下，碳煙的體積分數(shù)、峰值位置和空間分布的演化趨勢．

相比實驗值，模擬得到的分布云圖略顯狹長，導致這一現(xiàn)象的原因，可能是由于氧化模型預測的O2和OH對碳煙的氧化速率較實驗值要低．低氧體積分數(shù)下預測得到的碳煙輪廓較實驗值與高氧體積分數(shù)情況誤差較大，可能原因是模型預測得到的氧化速率相比實驗情況，對氧體積分數(shù)的敏感性更高，低氧體積分數(shù)下氧化速率存在一定的誤差．相比于環(huán)境密度為14.8kg/m3的工況，環(huán)境密度為30kg/m3時預測得到的碳煙體積分數(shù)峰值與實驗值相比偏低，且峰值位置更偏下游，這與Vishwanathan等的研究結(jié)論一致．

3?初始環(huán)境變化對碳煙分布的影響規(guī)律

3.1?碳煙生成氧化各過程的分布特性

碳煙的生成與當?shù)貕毫Α囟群突旌蠚獬煞置芮邢嚓P(guān)．在Vishwanathan模型中，由于碳煙的成核速率依賴于A4的體積分數(shù)，表面生長速率依賴于C2H2的體積分數(shù)，而碳煙的氧化與當?shù)豋2和OH的體積分數(shù)密切相關(guān)．由于這些關(guān)鍵氣相成分各自分布在不同的當量比()和溫度()范圍，因此碳煙生成各過程發(fā)生的主要分布區(qū)域，其熱力學狀態(tài)與混合氣體積分數(shù)并不一致．

在環(huán)境密度為14.8kg/m3、溫度1000K、氧體積分數(shù)15%的初始條件下，將各網(wǎng)格中A4、C2H2和OH的質(zhì)量分數(shù)，以其所在網(wǎng)格對應的和值為坐標，繪制成如圖6(a)、(b)和(c)所示的氣泡分布圖，其中氣泡的尺寸與相應組分的質(zhì)量分數(shù)大小成正比．采用同樣方法可得到碳煙顆粒數(shù)密度，以及成核、表面生長和氧化等過程的質(zhì)量變化速率在-圖中的分布．為便于分析，僅在圖7中顯示顆粒數(shù)密度在-圖中的尺寸分布，而成核、表面生長等過程質(zhì)量變化量的主要分布區(qū)域(依據(jù)相應氣泡尺寸)分別用綠色、藍色和紅色的輪廓線圈出．

對圖6中的-分布情況進行對比，由圖6(a)、(b)和(c)可知，模型中碳煙成核的前驅(qū)物A4和表面生長的主要成分C2H2均分布于＞2的區(qū)域，與此相反，OH主要分布于＜3的高溫區(qū)．C2H2在1400K＜＜2000K區(qū)間的分布相對均勻，而A4的分布更集中些．這些分布特征與圖7由上述輪廓線圈出的成核、表面生長以及氧化等質(zhì)量變化速率的主要分布區(qū)域相一致．

從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，O2對碳煙的氧化不僅存在于低當量比、高溫區(qū)域，同時也有少量存在于高當量比區(qū)域，這與Dec[18]提出的概念模型稍有出入．實際上，Chishty等[19]的模擬結(jié)果均存在這部分由O2氧化的區(qū)域，其位于碳煙分布輪廓的上游處．

圖7?碳煙生成氧化各個階段在Φ-T圖中的主要分布

3.2?環(huán)境溫度對碳煙生成歷程的影響

環(huán)境溫度對碳煙的生成和氧化歷程均有影響．將初始環(huán)境密度為14.8kg/m3，氧體積分數(shù)21%條件下，環(huán)境溫度分別為800K、900K、1000K以及1200K時，Spray-H的碳煙分布繪制如圖8所示．

圖8?不同環(huán)境溫度下碳煙分布區(qū)域的演化

分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度從800K增加到1200K，當量比的峰值從3的位置依次增加到10以上．而在當量比＜2的區(qū)域，即對應圖7中OH氧化速率主要分布的區(qū)域，在初始環(huán)境溫度增加之后，整體分布區(qū)域當量比并沒有發(fā)生明顯變化，但溫度發(fā)生了變化：圖8中0＝800K對應的散點，該區(qū)域(＜2的區(qū)域)整體溫度約2500K，到0＝1200K對應的散點，該區(qū)域整體溫度峰值約2700K.

將環(huán)境氧體積分數(shù)為21%、環(huán)境密度為14.8kg/m3時，初始溫度分別為1000K和1200K條件下，碳煙顆粒的增長速率繪制成圖9(a)、(b)中的藍色曲線，而將碳煙顆粒由粒子間碰撞聚并導致數(shù)量減少的速率繪制成圖9中的紅色曲線．

圖9 環(huán)境溫度不同時顆?？倲?shù)變化速率與顆粒間聚并速率

由圖9(a)可知，環(huán)境溫度為1000K時，碳煙在噴射始點后約0.7ms產(chǎn)生，稍有延遲后聚并發(fā)生．起初碳煙增長速率很快，達到每秒約7×1015后，隨著聚并效應的增強，顆粒凈增加速率逐步衰減．如圖9(b)所示，當環(huán)境溫度＝1200K時，碳煙成核發(fā)生在噴射始點后約0.5ms之前，顆粒聚并速率急劇增加到最大值，顆粒數(shù)增長速率峰值增加且提前到達，隨后急劇衰減直到趨于穩(wěn)定．初始溫度的提高對碳煙的成核速率和聚并速率都起促進作用，且對聚并的促進作用明顯高于對成核的促進作用．

3.3?初始氧體積分數(shù)對碳煙生成歷程的影響

由于內(nèi)燃機通常需要改變EGR率實現(xiàn)對燃燒和排放的控制，其中一個重要作用來自于EGR對氧體積分數(shù)的改變．鑒于此，分析了環(huán)境氧體積分數(shù)為12%、15%和21%條件下，碳煙顆粒隨氧體積分數(shù)增加的整體發(fā)展趨勢．

在-圖中繪制了環(huán)境溫度為1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分數(shù)為15%時碳煙顆粒數(shù)密度的氣泡分布圖．并用前述的輪廓線圈出該條件下各碳煙生長氧化過程對應的質(zhì)量變化速率的主要分布區(qū)域，如圖10(a)所示．為了對比，選取同樣環(huán)境溫度、密度下，初始氧體積分數(shù)為12%、15%和21%時碳煙分布情況，分別繪制成圖10(b)中的紅色、黑色以及藍色散點圖．

圖10 碳煙生成氧化各個階段分布及隨氧體積分數(shù)改變的演化趨勢

由圖10(b)可知，當環(huán)境氧體積分數(shù)從12%增加到21%時，整個碳煙的分布曲線呈現(xiàn)出向高溫區(qū)和高當量比區(qū)域平移的趨勢．對應于圖10(a)中的碳煙成核、表面生長過程的質(zhì)量變化速率主要分布區(qū)域(即＞3的部分)，整體溫度升高，當量比增大，峰值從約＝6增加到＝7附近；而在碳煙發(fā)生OH氧化的主要區(qū)域(即＜2的部分)，當量比的增加并不明顯，相比之下溫度升高顯著：隨著氧體積分數(shù)從12%增大到21%，該區(qū)域內(nèi)溫度整體上升了約500K.

分析環(huán)境溫度為1000K、環(huán)境密度為14.8kg/m3條件下，初始氧體積分數(shù)分別為15%和21%時碳煙顆粒的增長速率曲線(圖11(a)、(b)中的藍色曲線)，以及由于粒子間碰撞聚并過程，導致碳煙顆粒數(shù)量減少的速率曲線(圖11(a)、(b)中的紅色曲線)．

圖11(a)中，即初始氧體積分數(shù)為15%時，碳煙顆粒數(shù)增長的速率峰值約在3ms處，與圖11(b)中初始氧體積分數(shù)為21%條件下的速率峰值時刻1.6ms相比有所延遲．對比可知，隨著環(huán)境氧體積分數(shù)的增加，顆粒數(shù)增長的速率峰值降低，聚并速率也降低．

3.4?環(huán)境密度對碳煙生成歷程的影響

環(huán)境壓力(密度)對燃燒和碳煙具有重要影響，發(fā)動機增壓技術(shù)的應用可以對進氣壓力進行有效調(diào)節(jié)，因此有必要研究因環(huán)境壓力(密度)變化引起的碳煙發(fā)展變化趨勢．考慮在環(huán)境溫度為1000K、O2體積分數(shù)為15%條件下，將初始密度分別為14.8kg/m3和30kg/m3工況對應的碳煙分布情況在-圖中用散點描述，如圖12所示．

圖12?不同初始環(huán)境密度下碳煙分布區(qū)域的演化

結(jié)合圖10(a)和圖12分析，隨著環(huán)境密度從14.8kg/m3增加到30kg/m3，在＞2處，即對應圖10(a)中碳煙成核、表面生長區(qū)域，當量比增大，其峰值從＝6.3處增加到＝8附近．當量比的增加促進了碳煙的生成．在＜2區(qū)間，即對應圖10(a)中OH氧化碳煙的主要分布區(qū)域，環(huán)境密度的增加并不改變該區(qū)域的當量比．

考慮因環(huán)境密度改變引起的碳煙顆粒在數(shù)量上的演化趨勢，圖13(a)、(b)中分別繪制了環(huán)境密度14.8kg/m3和30kg/m3條件下，碳煙總顆粒數(shù)增加速率曲線(藍線)與由于顆粒間聚并效應引起的顆粒數(shù)減少速率曲線(紅線)．對比不同密度下的顆粒數(shù)量變化速率，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境密度的增大，碳煙開始生成時間從噴油始點后約1ms提前到約0.7ms，顆粒增長速率峰值從每秒約2.4×1016提高到4.6×1016，聚并速率則增加了一個數(shù)量級．由于聚并速率的急劇增加，碳煙顆粒數(shù)增長速率迅速達到峰值并趨于衰減．環(huán)境密度的增加在初期促進了顆粒的成核過程，而在中期提高了碳煙顆粒的聚并速率．

圖13 環(huán)境密度不同時顆?？倲?shù)變化速率與顆粒間聚并速率

4?結(jié)?論

本文基于OpenFOAM開源軟件平臺提供的噴霧燃燒求解器耦合半經(jīng)驗多步現(xiàn)象學模型，研究了碳煙生成氧化各個階段在-關(guān)系圖中的分布特性，以及初始環(huán)境條件(環(huán)境溫度、氧氣體積分數(shù)和環(huán)境壓力)對碳煙生成和演化歷程的影響．主要結(jié)論如下：

(1) 依據(jù)半經(jīng)驗模型，碳煙由于其成核、表面生長以及氧化過程產(chǎn)生的質(zhì)量變化速率，受關(guān)鍵參與組分的影響，分布在不同的當量比-溫度區(qū)間．

(2) 環(huán)境溫度的增大提高了碳煙生成區(qū)域(主要分布在＞3區(qū)間)的整體當量比，同時增加了碳煙受OH氧化的區(qū)域(主要分布在＜2區(qū)間)的溫度．

(3) 環(huán)境密度的增加使得碳煙生成區(qū)域(主要分布在＞3區(qū)間)的整體當量比提高，溫度不變．而碳煙受OH氧化的區(qū)域(主要分布在＜2區(qū)間)基本不受影響．

(4) 環(huán)境溫度和密度的增加對碳煙的成核以及聚并過程起促進作用，且對聚并過程的影響遠比成核作用更顯著．

(5) 隨環(huán)境氧體積分數(shù)的增加，總體碳煙顆粒數(shù)增長速率和聚并速率降低．由于碳煙生長區(qū)域整體當量比增加，前驅(qū)物的體積分數(shù)相應增大，顆粒數(shù)密度峰值增大．

［1］ 陳夢園，莊?遠，邱?亮，等. 柴油機碳煙顆粒三維形貌特征的研究[J]. 燃燒科學與技術(shù)，2020，26(5)：444-451.

Chen Mengyuan，Zhuang Yuan，Qiu Liang，et al. 3D morphological characteristics of soot particles from diesel engine[J].，2020，26(5)：444-451(in Chinese).

［2］ Kennedy I M. Models of soot formation and oxidation[J].，1997，23(2)：95-132.

［3］ Hiroyasu H，Kadota T. Models for combustion and formation of nitric oxide and soot in direct injection diesel engines[J].，1976，6(1)：327-335.

［4］ Frenklach M，Wang H. Detailed modeling of soot particle nucleation and growth[J].()，1991，23(1)：1559-1566.

［5］ Frenklach M，Wang H. Detailed mechanism and modeling of soot particle formation[M]//. Springer，1994：165-192.

［6］ Appel J，Bockhorn H，F(xiàn)renklach M. Kinetic modeling of soot formation with detailed chemistry and physics：Laminar premixed flames of C2hydrocarbons[J].，2000，121(1/2)：122-136.

［7］ Wang H，F(xiàn)renklach M. A detailed kinetic modeling study of aromatics formation in laminar premixed acetylene and ethylene flames[J].，1997，110(1/2)：173-221.

［8］ Tao F，Golovitchev V I，Chomiak J. A phenomenologi-cal model for the prediction of soot formation in diesel spray combustion[J].，2004，136(3)：270-282.

［9］ Tao Feng，Reitz Rolf D，F(xiàn)oster David E，et al. Nine-step phenomenological diesel soot model validated over a wide range of engine conditions[J].，2009，48(6)：1223-1234.

［10］ Jia M，Peng Z J，Xie M Z. Numerical investigation of soot reduction potentials with diesel homogeneous charge compression ignition combustion by an improved phenomenological soot model[J].()：，2009，223(3)：395-412.

［11］ Leung K M，Lindstedt R P，Jones W P. A simplified reaction mechanism for soot formation in nonpremixed flames[J].，1991，87(3/4)：289-305.

［12］ Vishwanathan Gokul，Reitz Rolf D. Development of a practical soot modeling approach and its application to low-temperature diesel combustion[J].，2010，182(8)：1050-1082.

［13］ Wang Hu，Deneys Reitz Rolf，Yao Mingfa，et al. Development of an n-heptane-n-butanol-PAH mechanism and its application for combustion and soot prediction[J].

，2013，160(3)：504-519.

［14］ Nagle J，Strickland-Constable R F. Oxidation of carbon between 1000-2000℃[C]//. Oxford，1962：154-164.

［15］ Neoh K G，Howard J B，Sarofim A F. Effect of oxidation on the physical structure of soot[J].()，1985，20(1)：951-957.

［16］ Yoshihara Y，Kazakov A，Wang H，et al. Reduced mechanism of soot formation—Application to natural gas-fueled diesel combustion[J].()，1994，25(1)：941-948.

［17］ Sandia National Laboratories. Engine Combustion Network(ECN)：Experimental Diagnostics and Experimental Data[EB/OL]．https://ecn.sandia.gov/diesel-spray-combustion/，2022.

［18］ Dec John E. A conceptual model of DI diesel combustion based on laser-sheet imaging[J].，1997：10.4271/970873．

［19］ Chishty Muhammad A，Bolla Michele，Hawkes Evatt R，et al. Soot formation modelling for-dodecane sprays using the transported PDF model[J].，2018，192：101-119.

Numerical Simulation of Soot Evolution in Spray Combustion Under Different Ambient Environments

Wang Chenchen，Zheng Zunqing，Wang Hu，Yao Mingfa，Zhang Yan

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Aimed at the soot formation and evolution under different diesel engine operation conditions，this study is carried out based on the measured data of soot generated in constant volume spray combustion by the engine combustion network(ECN). The combustion solver based on an open source CFD platform (OpenFOAM)is employed and the classical phenomenological multi-step soot model is coupled in the numerical simulation. The effect of ambient conditions on each soot sub-formation and oxidation process is revealed through the-diagram，and the distribution region and evolution of soot formation process are analyzed，with the aim of proposing the influencing mechanism of initial operation conditions on soot formation and oxidation. The results show that the phenomenological soot model can well predict the distribution of soot. The surface growth region of soot is mainly located in the area with the equivalence ratio greater than 3.0. The oxidation region is mainly distributed in the area with the equivalence ratio smaller than 2.0，which is also the main distribution area of OH species. The increase in ambient temperature and density promotes both nucleation and the coagulation rate and reduces the particle number density. The increase in ambient oxygen volume fraction suppress both nucleation and the coagulation rate，thus resulting in smaller size and higher density distribution of soot particles.

soot；constant volume combustion；OpenFOAM；numerical simulation

TK42

A

1006-8740(2022)04-0423-10

10.11715/rskxjs.R202206009

2022-01-07.

國家自然科學基金資助項目(51976134；51876140).

王晨辰（1990—??），男，博士研究生，1017201074@tju.edu.cn.

鄭尊清，男，博士，教授，zhengzunqing@tju.edu.cn.

(責任編輯：梁?霞)