基于Fluent的天然气燃烧特性研究

设计·研究汽车科技第3期2011年5月doi:10.3969issn1005-2550201103003基于P的天气燃邊性研兖王凯楠,侯献军,闫少杰,余其旺,徐楠楠(武汉理工大学汽车工程学院,武汉430070)摘要:通过控制变量设计试验方案,研究定容燃烧弹内的预混燃烧特性以及火花塞数量和布置方式对天然气预混火焰传播性质的影响。利用 Fluent软件对各方案进行数值模拟计算,计算结果表明天然气预混燃烧速率比汽油小,采用双火花塞布置可有效提高燃烧速率缓解天然气发动机动力性不足,为天然气速燃技术的进一步研究提供理论基础关键词:天然气;双火花塞;定容燃烧弹; Fluent中图分类号:TQ1532献标志码:A文章编号:1005-25502011)03-0012-03Study of Combustion Characteristics of Natural Gas Based on Fluentai-nan, HOU Xian-jun, YAN Shao-jie, YU Qi-wang, XU Nan-nan(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)Abstract: This article introduces design schemes for the research on the premixed combustion in the constant volume bomb and influ-ences on flame propagation of natural gas due to the layout of spark plug. With the CFD simulation calculation based on Fluent, it seerming rate of gasoline is faster than natural gas, and dual spark plugs can make fast combustion of natural gas, whichvide a theoretical method to solve the bad performance of power for CNG enginesKey Words: natural gas dual spark plugs: constant volume bomb; Fluent天然气作为清洁燃料,相比汽油、柴油等传统燃不同条件下燃料的燃烧特性,如表1所示。其中料,具有经济性好、排放性能优越等特点,在内燃机方案1与方案2均采用单火花点火方式,用以比领域已得到广泛应用。但天然气着火温度高,燃烧期较天然气和汽油混合气的火焰传播特性,方案1长,相同当量比层流火焰传播速率比汽油混合气要与方案3则分别采用单火花塞和双火花塞布置低12%左右叫,这是造成天然气发动机动力性不足比较单双火花塞对于火焰传播和燃烧速率的影的主要原因之一。采用双火花塞可提高点火能量,增响,方案3、方案4和方案5以火花塞间距作为大初始火焰锋面面积,有效提高燃烧速率,缓解天然控制变量,研究双火花塞的布置对于燃烧过程的气发动机动力性不足的问题影唷。为避免实际复杂工作过程及循环变动对燃烧的表1仿真计算方案设计影响,内燃机的燃烧研究主要在定容燃烧弹中进行方案1方案2方案3方案4方案定容燃烧弹可研究活塞上止点附近时的燃烧2。本使用燃料天然气汽油天然气天然气天然气文设计仿真计算方案对预混火焰传播及双火花塞布置方式进行研究,利用CFD软件 Fluent对定容燃烧点火方式单火花单火花双火花双火花双火花点火点火点火点火点火弹中燃烧过程进行数值仿真,并对计算结果进行分火花塞析,验证双火花塞的速燃特性。间的几/mm1方案设计与计算预处理为缩减计算量,笔者构造100mmx100mm的二维流体区域模拟定容燃烧弹,火花塞均采用中心笔者根据试验需求设计了5种方案,以比较区域对沿计古安沿吉径d=1mm的圆形流中国煤化工计算区域进收稿日期:2011-0302基金项目:国家大学生创新性实验计划基金项目(091049727行网格CNMHG基于 Fluent的天然气燃烧特性研究/王凯楠,侯献军,闫少杰等设计·研究布。选用理想气体定律计算燃烧气体性质,并通过调整燃料质量分数将混合气当量比设为1本文选用PSO算法作为压力速度耦合方法求解有限差分方程,控制方程离散格式采用二阶迎风格式,以提高计算精度。初始条件可采用发动机仿真软件GT- power对某发动机压缩上止点处各项参数(a)方案1、2()方震3(c)方案4(d方案5的计算结果,使用pch对初始条件进行修正,将图1不同方案计算网格的划分点火区域内的反应进度c设为1,表征计算初始该区已处于反应状态,从而模拟火花塞的工作。2数学模型与计算方法3计算结果分析本文对燃烧的瞬态发展过程进行数值模拟,假定燃料与空气已充分混合,采用预混燃烧模型。该模型31不同燃料燃烧特性的比较利用火焰锋面将反应的流场分为已燃区和未燃区,通过求解反应进度 progress variable控制方程确定流图2给出了方案1和方案2计算得出的定容燃场中反应量的分布规律,控制方程的源项即为燃烧过烧弹内混合气反应进度随时间变化数值分布规律程的平均反应速率 Fluent软件计算过程中将该反应从图中可以看出,定容燃烧弹中的混合气火焰从初速率与火焰的湍流燃烧速率相关联。因此,正确的预始时刻开始由点火区域以球面方式向外传播,由等测湍流燃烧速率对于预混燃烧模型十分重要。值区域分布的疏密程度可知火焰锋面的大致位置在火焰锋面传播的过程中,大涡团会引起火焰从而可判断火焰的传播。计算结果表明,汽油混合气锋面的皱折和拉伸,并将反应物卷入火焰锋面,反应的火焰传播速率比天然气混合气火焰传播速率快。物在湍流尺度区域内以层流方式进行燃烧,因此湍流燃烧速率的大小主要取决于层流燃烧速率、火焰的拉伸效应等因素。层流火焰燃烧速率、反应初始的压回⊙力与温度有关,可用指数方程拟合式表示5,即:t=2=4 ms t=6 ms t=8方案1式中,T和P分别为未燃反应物的温度与压力,T"回·■■(1和P则分别为标准状态下的温度和压力;式中标准状态下的层流燃烧速率Um可由相关实验拟合方案2公式得到6,而指数参数项yB可与混合气当量比图2方案1和方案2的反应进度分布规律φ建立关系式3.2单双火花点火对平均燃烧速率的影响y=218-0.8(φ-1)(2将方案1、方案2和方案3计算得到的每个时B=-0.6+0.22(中-1)(3)刻定容燃烧弹内流场反应进度数值分布及压力场分对于火焰的拉伸效应, Fluent软件在计算过程布分别在计算区域内取平均值,并分别绘制随时间中通过对反应进度控制方程的源项进行增益处理来的变化规律曲线,如图3和图4所示表征,并引入临界应力变化速率,用以计算拉伸增益由图3可以看出,燃烧开始初期,定容燃烧弹内系数。根据文献3提供的经验公式,本次仿真计算方案2的反应进度增长率高于方案1反应进度增长中燃烧天然气时临界应力变化速率g取8289,燃率,这主要是因为汽油混合气火焰传播速率快于天烧汽油时的临界应力变化速率g取10398。然中国煤化工率可使单位时间反应计算过程中湍流模型选用标准k-模型:对于产生CNMHG提高压力升高比,如度的求解采用非绝热方式,以恒定壁温作为边界图4所示。改用双火花塞后,由于燃烧初始阶段火焰条件,通过求解流场能量控制方程计算得到温度分锋面面积有所增大,混合气的燃烧反应区域增大,使13设计·研究汽车科技第3期2011年5月得定容燃烧弹内天然气混合气总体燃烧速率在一定示。对比三种方案中反应进程的分布规律可分析程度得到提高,导致压力升高率增大。因此,采用双火焰传播过程,初始时刻由不同位置点火区域产火花塞布置可在一定程度上缓解天然气混合气燃烧生的火焰锋面随时间不断向外推移,已燃区体积速率较小所引起的发动机动力性不足。逐渐扩大并相互作用,当两个火焰锋面相碰时,已燃区会相互融合。当点火区域相距较远时,已燃区方案1融合所需时间较长,如方案5所示,而当点火区域0000一方案2一方案3相距较近时,已燃区随着燃烧的进行迅速融合,如方案3所示。4结论(1)通过控制变量设计仿真计算方案,研究定容燃烧弹内的不同燃料与空气的预混燃烧特性,采用时间/mCFD软件 Fluent对设计的各方案进行数值模拟计算,通过流场区域内反应进度的数值分布判断火焰图3不同方案反应进度随时间的变化规律的传播,分析双火花点火和火花塞布置方式对天然暴方发1气预混火焰传播性质的影响。一方案2一方案3(2)模拟计算结果表明,天然气预混燃烧速率比汽油小,在燃娆室内合理布置双火花塞可增大初始火焰锋面面积,有效提高燃烧速率,增大压力升高率,在一定程度上缓解天然气混合气燃烧速率较小所引起的发动机动力性不足,验证了双火花塞的速燃特性。时间/s3模拟仿真分析可减少项目的研发成本、缩短研究周期,通过对不同方案的计算分析,为进一步的图4不同方案压力随时间的变化规律试验研究提供理论基础。33双火花塞布置方式对火焰传播的影响方案3、方案4和方案5计算得出的定容燃烧弹内混合气反应进程随时间变化分布规律如图5所参考文献「1〗张衷明,沈国华CNG发动机燃烧过程的CFD模拟计算Jd回·小型内燃机与摩托车,2007,(10):9-112马凡华,蒋德明一种可变湍流的定容燃烧弹实验装置门J内燃机学报,2001,(1)69-721=6 ms t=8 ms t=l0 ms方发33. Fluent, Inc. FLUENT 6.3 Lser's Guide 2006[M].2006.5514】解茂昭内燃机计算燃烧学[M]大连:大连理工大学出版社,2005=2m1=4mt=6mst8m10m03s5周龙保内燃机学M北京机械工业出版社,2005方案46]SY Liao, D. MJiang, Q Cheng Determination of laminar bur-BS8■TH中国煤化工3(20041247-1250CNMHG方蒙5图5方案3、方案4和方案5的反应进度分布规律14