针对氢燃料发动机爆燃过程的数值模拟研究

王秀红 陈甲武 何 昱

(1.广西玉柴动力股份有限公司，广西 玉林 537005；2.广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004)

0 前言

提高压缩比是提高发动机的热效率和经济性的有效方式之一，但发动机增压强化所导致的爆燃和超级爆燃等异常燃烧现象不但严重阻碍了小型增压发动机的发展，并在一定程度上限制了新型燃烧方式的应用。

均质充量压缩着火燃烧(HCCI)是一种具有代表性的低温燃烧方式，具有均质混合气压燃着火和低温燃烧的特点。HCCI可以提高发动机的热效率，并且可以有效降低有害物的排放。但在高负荷下，HCCI容易导致汽油机的爆燃，这限制了HCCI发动机的推广运用。为了抑制爆燃和超级爆燃等异常燃烧现象的发生，应深入研究其产生的机理。

在爆燃的早期研究中，Berthelot等[1]认为爆燃波中的化学反应是由激波压缩诱导的。之后，Chapman和Jouguet建立了定量理论(CJ理论)来确定混合物的爆燃速度。由于CJ理论不能描述爆燃波的结构，无法明确爆燃波的传播机理。Zeldovich等[2]随后提出了Zeldovich-Von Neumann-Doring(ZND)模型。该模型对爆燃波的结构进行了描述，即爆燃波是在前导激波面与之后的化学反应区形成。

对于内燃机内的爆燃产生机理，目前大部分学者支持Ricardo在1919年提出的末端气体自燃理论。该理论认为，爆燃的发生是由于末端混合气发生了自燃。刘辉[3]总结了常规爆燃和超级爆燃的燃烧过程，并分别针对常规爆燃和超级爆燃提出了相应的抑制策略。Pan等[4]采用大涡轮模拟(LES)方法耦合详细化学反应的求解器和亚格子尺度(SGS)涡流黏度模型，研究了在高压小型汽油机中燃料自燃引起的异常燃烧。Ettner等[5]提出了一种新的能够模拟火焰运动加速、爆燃到爆轰的求解器，通过该求解器模拟了二维均质氢气和氧气在有障碍物的直管内火焰运动加速、爆燃转爆轰的燃烧过程。Wang等[6]则通过采用单步反应的化学模型和自适应网格细化模拟了非均质氢气和氧气的燃烧。

目前，针对爆燃燃烧过程中压力波与火焰前锋的相互作用，以及温度、压力对化学反应的影响已有相关报道[7-12]，但现有研究基本上都是针对一维计算区域进行模拟。本文利用Open FOAM 软件，采用二维模型，对气缸内氢气和空气混合物爆燃燃烧过程紧密关联的末端气体自燃现象，以及火焰传播、自燃、压力波和温度的相互作用进行研究，探索产生爆燃的机理。

1 模型的建立与验证

1.1 计算软件及方法

采用计算流体动力学(CFD)软件，以及Open-FOAM 软件中的内燃机求解器(EngineFoam)和基于密度的热力学包的化学反应求解器(Rho Reacting-Foam)2种标准求解器进行了模拟。此外，还运用了适合瞬态不可压缩流体的带算子分裂的压力隐式(PISO)算法，在基于密度的化学反应求解器中加入了与发动机相关的类别。在氢气自燃后压力与温度变化的研究中，选择了耦合详细的化学反应机理，采用10组分、21步反应的化学反应机理开展研究[13]。

1.2 求解器验证

为了对求解器进行验证，将网格、初始条件、边界条件等参数均设置成与文献相同[10]，即计算区域为二维，压力为0.455 MPa，温度为900 K，当量比为1.0。在此条件下，模拟了氢气与空气混合物的自燃及爆燃。模拟结果表明，正常燃烧火焰前锋的速度约在20～60 m/s之间，而自燃火焰前锋的速度则达到1 000 m/s以上。同时发现火焰前锋在接近右壁面时才发生自燃，这与文献中的研究结果是一致的。表1示出了试验发动机模型的基本参数。

表1 试验发动机模型的基本参数

1.3 计算对象及网格划分

计算区域为活塞运动到上止点时的气缸。气缸截面可近似为1个长方形区域，其宽度为92 mm，高度为16 mm。采用总数为16 000个的结构网格，同时在计算区域的左上角设置了1 个热点，热点区域为边长5 mm 的正方形。

2 模拟边界与初始计算条件

将所有计算条件下的当量比均设为1.0，热点区域的温度设置为2 000 K。初始条件的设置如表2所示。

表2 初始条件的设置

3 数值模拟结果

在温度为900 K，压力为0.10 MPa时，自燃发生较晚，仅在开始燃烧后的332μs发生了末端气体的自燃。图1为自燃发生前的热释放率，图2为自燃发生时的热释放率。对比图1、图2可知，自燃时的热释放率比正常燃烧时的热释放率要大，这是由于自燃区域的压力更大，温度更高。

图1 温度为900 K，压力为0.10 MPa，自燃发生前的热释放率

图2 温度为900 K，压力为0.10 MPa，自燃发生时的热释放率

图3示出了温度为900 K，压力为0.10 MPa，自燃发生前后的压力变化。从图3可以看出，末端未燃气体受到火焰前锋的压缩，呈现出较高的压力状态。

图3 自燃发生前后的压力变化

图4为自燃发生前后的温度变化。由图4可知，随着自燃的发生，气体燃烧释放大量的热量，温度快速升高，压力也进一步增大。自燃发生后，正常燃烧的火焰前锋的压缩作用并没有结束，压缩作用使得压力范围更小，压力更大。自燃并未发生在近壁面处，而是发生在正常燃烧的火焰前锋附近，这是由于受到火焰前锋压缩的未燃气体区域的压力相差不大，但靠近火焰前锋处的温度更高，所以火焰前锋附近的气体更容易自燃。在340μs后，已燃区域在靠近自燃区域的部分，压力小幅增大，温度小幅升高，这是自燃火焰前锋与正常燃烧火焰前锋相互作用及自燃产生的压力波造成的。

图4 自燃发生前后的温度变化

图5示出了在温度为1 000 K，压力为0.10 MPa，自燃发生前的热释放率。图6示出了温度为1 100 K，压力为0.10 MPa自燃发生时的热释放率。与图1和图2类似，由于压力波在缸内来回振荡，使得缸内压力增大和温度升高。在正常燃烧火焰前锋的挤压作用下，火焰前锋附近发生了自燃。不同之处在于，随着初始温度的提高，自燃发生的时间也提早了。

图5 温度为1 000 K，压力为0.10 MPa，自燃发生前的热释放率

图6 温度为1 100 K，压力为0.10 MPa，自燃发生时的热释放率

在温度为1 000 K，压力为0.10 MPa的条件下，自燃发生在170μs。图7示出了在该计算条件下，自燃后的压力变化情况。由图7可知，自燃产生的压力波不断增大，在右边壁面附近达到最大值。自燃产生的压力波是朝左右2个方向进行传播的，但是向左是已燃区域，并不存在压力波和火焰前锋的相互耦合，因此压力并没有表现出明显的升高。在220μs时，压力波在右壁面被反射后向左传播，但由于经过了压力反射，压力波能量明显降低。

图7 温度为1 000 K，压力为0.10 MPa，自燃后的压力变化

比较压力为0.10 MPa，温度分别为900 K，1 000 K，1 100 K 时的燃烧计算结果发现，自燃火焰前锋的速度随着温度的升高不断提高，其最高速度分别为660 m/s、800 m/s和1 000 m/s以上，但这并不能简单解释为提升温度可以提高自燃火焰前锋的速度。图8示出了压力为0.10 MPa，温度分别为900 K、1 000 K 和1 100 K 时发生自燃现象的温度场。事实上，当温度为900 K 时，自燃的温度和压力都是最高的，其自燃火焰前锋的速度最低。这是因为在该条件下，自然火焰前锋与正常燃烧火焰前锋运动方向是完全相反的，它们之间发生了强烈的相互作用，导致自燃火焰前锋的速度急剧降低。在发生自燃时，在该条件下未燃烧的气体是最少的。自燃释放出的热量少于另外2个算例，这也是自燃火焰前锋速度较低的原因之一。

图8 温度分别为900 K、1 000 K 和1 100 K，自燃发生时的温度场

将压力提高到0.20 MPa和0.30 MPa时，燃烧过程发生了明显的变化。在0.10 MPa时，正常燃烧火焰前锋的速度低于100 m/s，只有自燃的火焰前锋才会达到较高的速度，这与文献中一维计算区域的计算结果[7，9-10]是一致的。但在压力提高到0.20 MPa以上时，正常燃烧火焰前锋的速度则达到了1 000 m/s以上，这与一维计算域的计算结果不同。

图9示出了温度为1 100 K，压力分别为0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，自燃发生时的温度场。从图9可知，当压力为0.20 MPa和0.30 MPa时，已燃区的温度明显高于压力为0.10 MPa时的温度。当压力提高到0.20 MPa以上时，缸内气体自燃发生的状况可以由氢氧爆炸极限的理论进行解释[14]，即提高压力对链分支反应与链中断反应的竞争产生了影响，较高的压力使得链分支反应占据了主导地位，放热加剧，已燃区温度及压力提高，大大提高了燃烧火焰前锋的速度。另一个变化是，当压力提高到0.20 MPa以上时，在900 K 和1 000 K的初始温度下，缸内气体并不会发生自燃。当压力为0.20 MPa，温度为900 K 和1 000 K时，燃烧过程与压力为0.30 MPa时的燃烧过程非常相近，正常燃烧的火焰前锋逐渐加速达到1 000 m/s以上，之后火焰传遍缸内，但并没有发生自燃。这是由于正常燃烧火焰前锋的速度大幅提高，未燃气体还在滞燃期内，而火焰前锋就已经将其引燃了。在压力为0.05 MPa，温度为900 K 的条件下，缸内气体也发生了自燃，其燃烧过程与压力为0.10 MPa时的状况类似。

图9 压力分别为0.10 MPa、0.20 MPa和0.30 MPa，在自燃发生时的温度场

4 结论

以活塞运动到上止点时的气缸截面作为计算区域，模拟了不同压力增大、不同初始温度条件下的爆燃燃烧过程，得出了以下主要结论。

(1)自燃发生先是由于压力波在缸内来回振荡，使得缸内压力、温度升高，之后在正常燃烧火焰前锋的挤压作用下，火焰前锋附近发生了自燃。

(2)在自燃发生后，正常燃烧的火焰前锋的压缩作用并没有结束，压缩作用使得高压范围更小，但压力更大。

(3)自燃并未发生在近壁面处，而发生在正常燃烧的火焰前锋附近。已燃区域在靠近自燃区域的部分，压力和温度都有小幅升高。

(4)计算区域的维数对基元反应之间的竞争具有影响。