增压器性能试验台燃烧室的流体仿真与性能优化

时间：2024-07-28

马丽芳，张卫波

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

0 引言

涡轮增压技术的发展推动了研究人员对车用涡轮增压器性能试验台架的研究并模拟燃料在汽车发动机中的燃烧，燃烧产生的废气通入增压器的涡轮端推动增压器工作，燃烧室作为系统的关键部件，研究发现燃烧情况会对试验结果产生影响。在对燃烧室的研究中，多数都是针对燃烧点火困难、雾化不良、产生积碳等问题来改进燃烧室的结构。戚墅堰机车车辆工艺研究所通过优化喷嘴孔径及喷油系统改善了燃烧室点火困难、燃油雾化不良、噪声严重超标等问题[1]。并针对燃烧室积碳问题，通过改进燃烧室的局部结构达到改善目的[2]。

现以增压器试验台架中的燃烧室为研究对象，将实物模型内部结构做一定简化后，运用计算流体力学分析软件中的FLUENT对其冷态流场及燃烧过程进行流体仿真，对原本无法捕捉的具体流场进行模拟分析，更直观地分析燃烧情况，同时通过改变喷油嘴的放置找到相应的优化方案。

1 燃烧室冷态动力场分析

1.1 燃烧室模型

图1为安装在台架上的燃烧器实物外部结构形态。该燃烧器在航空发动机燃烧室的基础和原理上稍作改进。台架中，燃烧室的入口通过一些必要的管道与罗茨鼓风机相连，参与燃烧的压缩空气由鼓风机鼓入，燃烧室出口通过消音管道等元器件与涡轮增压器相连，燃烧产生的废气由此进入增压器涡轮端，从而带动叶轮压缩空气。

图1 试验台架中的燃烧室

燃烧室的内部结构与单管燃烧室类似，空气入口端装有旋流器，火焰筒设计有主燃孔和补燃孔等，因其结构的复杂性，本文在研究时将其做一定的简化，如图2所示。

图2 燃烧室轴向剖面图(简化后)

1.2 燃烧室运行工况

对燃烧室进行流场分析时需要设置相应的边界条件参数，相关参数的设置越精确具体，仿真的结果越能接近真实。

燃烧室的工况有很多种[3]，现选取较为常用的一种：空气入口处，风机流量0.143 3 kg/s，喷油压力0.5 MPa，结合燃烧室模型的实际尺寸，已知流量可求出空气的流速为6 m/s；燃油入口处，燃油流量为9 m3/min,燃油喷油嘴孔径是0.8 mm，由此计算出燃油喷射速度为20 m/s。

1.3 求解步骤

FLUENT求解分为前处理、求解设置和后处理3个阶段。

前处理阶段：运用三维建模软件建模后，采用ANSYS ICEM CFD 网格划分软件对计算域进行区域离散[4]，划分后的结果如图3所示。

图3 燃烧室计算域网格划分结果图

求解设置阶段：考虑实际的机理，设置相应的求解模型，选用湍湍流模型中的双方程k-ε模型和离散相DPM模型来模拟混合气未点燃前的气液两相流动[5]。按燃烧室的运行工况数据进行相应的参数设置，求解计算。

后处理阶段：在冷态动力场模拟中，抽取计算出的速度分布图如图4所示。

图4 轴向截面z=0速度分布图

1.4 结果分析

由图4可知：流场域范围内，越接近燃烧室出口，动力场的速度越大；从速度等高线分布形状看，未出现明显的漩涡，速度分布变化接近梯度变化，由此可猜想在横向截面上的速度大小几乎一致，未出现明显波动。冷态动力场分布和燃烧室的外形设计有关，出现如图4的速度分布情况的原因是燃烧室内空间的截面圆直径逐渐变小，而整个过程中鼓风机流量和柴油喷射量不变，空气的涡流比和湍流强度变大，这就使得混合气的整体速度变大。

从冷态速度场的良好分布来看，燃烧室的形状设计合理，适合燃烧的扩散和传播。

2 燃烧室燃烧过程模拟分析

2.1 求解设置

燃烧室的燃烧模拟相比冷态流场模拟多了燃烧模型的设置，考虑到空气和燃油从不同入口以射流的形式进入燃烧室内，柴油经雾化、蒸发后与空气一起点燃燃烧，本文选用非预混燃烧模型来求解。

2.2 结果分析

a) 温度分布图分析

由图5可看出：z=0截面上，在靠近空气入口处的温度分布较低，数值在300K～400K之间，基本与空气温度一样，越接近燃烧室出口，温度越高，最高的可达2 000K左右，由此可推测，燃烧室燃烧集中在后半部分，在空气入口与燃油入口附近燃烧情况不理想。产生这种现象的原因是：1) 在燃烧室的前部有空气不断鼓入和燃油不断喷射进来，出现扫气现象将热量吹到燃烧室后半部分，另外柴油雾化挥发需要吸热，使得这个区域内温度较低，不利于燃烧；2) 在靠近空气和燃料入口的该区域内，空气和柴油还来不及均匀混合，只有在越往后的空间里它们才有时间混合分布良好，更有利于燃烧。图5中显示燃烧室出口处的温度很高，可见在此处燃烧还比较剧烈，燃烧火焰极有可能窜出燃烧室，这将会影响到整个增压器性能测试试验，因此在台架搭建设计时应当在燃烧室后面多一段冷却管道，该结论与实际设计吻合。

图5 轴向截面z=0温度分布图

图6 横向截面x=300 mm温度分布图

由图6可看出，在x=300mm横向截面上,接近上壁面区域的温度较低，越往下，温度分布逐渐增高，但在越过中心后，出现了温度较低的一个圆形区域。由此可推测燃烧室的燃烧集中在中心部分，越往外温度越低，燃烧现象更不明显。产生这种现象的可能原因是燃油由正上方垂直喷射进燃烧室内，由空气吹散帮助其雾化，但进来的空气湍流强度不够，无法使其雾化挥发后均匀地扩散分布在整个燃烧室区域。要使燃油被很好地均匀分布在燃烧室区域内，需要增大空气的湍流强度或涡流比，这就需要在空气入口处增大安装一个旋流器，使空气的湍流强度增大，用以吹散燃油，让其更好地雾化挥发至充满整个燃烧室区域，才更利于燃烧，提高燃烧效果。因燃烧室在未简化前在空气入口是有安装旋流器的，简化后的结果表明需要安装旋流器，这是一个很好的论证证明。

综合轴向和横向截面的温度分布等值线图，可以得出燃烧室内的燃烧主要集中在燃烧室中心部分和后半部分，越接近壁面，温度越低，燃烧进行的越困难。从整体的温度分布来看，还是比较符合常理的。

b) 速度分布图分析

图7 轴向截面z=0速度分布图

由图7可看出，轴截面上燃烧室前部速度分布较小，中部的等值线呈均匀的梯度变化，变化较为规律，到了接近出口处速度达到最大值。出现这样的速度分布情况与燃烧原理和燃烧室的内部流场设计有关，在燃烧室的前半部分，空气和燃油的混合情况不好，越到后面混合气越均匀，使得燃烧更为剧烈，燃烧室后部分压力增大；同时燃烧室的直径尺寸从空气入口到燃气出口是逐渐变小的，截面越小，流量不变，则流体速度越大，综合原因，速度场分布如图7所示。

由图8可看出，横截面上部的速度基本一致，下部分会出现一些波动，而且上部速度比下部更大些。出现此分布的原因可能是，燃烧室上部燃油分布较少，可能还没烧起来，致使其速度平稳变化，而下部燃油分布较多，燃烧更好，使得该区域速度发生波动。

图8 横向截面x=300 mm速度分布图

3 燃烧室性能优化

燃烧室的性能优化方向定位在改变喷油油束的角度、方位和喷油点个数上，研究中对各种改变后的情形都进行了模拟，现将各结果图列出，分析对比后得出较好的优化方案。

3.1 温度分布图对比分析

从图9-图11可看出改变后的模型求解结果分布在大体上的变化趋势相同，如温度呈梯度变化，越靠近燃烧室出口温度越高等。但还是存在差别，这表明改变喷油油束会对燃烧结果产生影响，具体的从图中可看出：在改变喷油油束角度方面，油束方向向左偏向空气入口方向温度分布图(图9)会比原型燃烧室的垂直入射要好，这源于改变后的油束与入口处的空气产生对流，这将有助于燃油的雾化和挥发，因此燃烧效果要好。油束向右偏的温度结果图分布(图10)反而没有原型燃烧室的好，温度主要分布在燃烧室中心，整个燃烧室内的燃烧分布不均匀，这源于它的喷油方向顺着空气入口，不利于燃油的雾化挥发。

在原型燃烧室的喷油点所在截面设置两喷油点，并让油束以轴向截面为对称面45°方向互相交错射入燃烧室(图11)，这种设置是所有模型设置中温度流场分布最好的。究其原因，一是增加了一倍的燃油喷射量，使得燃烧室中的燃料充足，更利于燃烧；另一方面，燃油都以一定角度喷入燃烧室内，燃油油束之间彼此影响，利于蒸发，喷射的角度也更利于燃油在燃烧室内的均匀分布。

图9 油束左偏15°温度分布图

图10 油束右偏15°温度分布图

图11 两个喷油束45°入射角