缸内喷雾燃烧CFD仿真模型校验

余宏峰，殷 勇，杨尚丽

（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056）

随着计算机技术的不断进步，计算流体动力学（CFD）和高性能计算机已经广泛应用于发动机缸内的喷雾燃烧仿真计算，起到了越来越重要的作用。缸内喷雾仿真用来做燃烧系统开发，其仿真结果是否可以用来指导工程实践，即仿真结果是否可信受到开发人员的关注。

CAE工程师通常将仿真计算结果与实验数据作对比，当二者数据能够较好地吻合，通常会认为当前仿真模型是准确的。这种定量的数值比较只是从一方面反映模型的准确性。如果模型能够对缸内喷雾发展形态、燃烧火焰运动过程有较好的描述，则可以定性认为此时的模型对缸内喷雾燃烧物理现象的反映是准确的。

获取缸内喷雾燃烧过程图像，有利于提高研究人员对缸内过程的感性认识，同时对校验仿真计算模型的准确性有着特别重要的意义。本文采用对流场无干扰的内窥镜技术，直接在产品级发动机上进行喷雾、燃烧过程的可视化测量，获得喷雾燃烧过程的时空变化图像。用CFD的仿真结果与燃烧火焰、碳烟浓度进行了对比，校验了缸内喷雾燃烧CFD仿真模型的准确性。

1 试验系统

1.1 试验发动机

研究中采用某款现生产的重型高压共轨直喷柴油发动机，发动机常规技术参数信息如表1所示。

表1 试验发动机技术参数

为了能够在发动机上观察到缸内的燃油喷射和燃烧火焰，需要在缸盖上加工可视化通路将内窥镜和光源伸入缸内进行拍摄和照明。由于目前几乎所有的柴油发动机都采用喷油器中置、四气门的缸盖结构，不可避免地需要在活塞上做局部加工，避开光学视角。如图1所示，在CAD中完成的可视化系统布置和可观察到的燃烧室视野范围。发动机上台架前，更换缸盖和测量缸活塞。

1.2 可视化系统

研究中所采用的可视化系统为基于内窥镜测量技术的光学燃烧摄像系统。该系统在发动机自由端安装曲轴转角编码器，在发动机输出端的缸盖上安装内窥镜和光纤光源。内窥镜前安装有石英窗，保护内窥镜不会接触高温高压燃气。内窥镜后面接一个CCD相机，光纤光源与一个频闪单元相连，频闪单元主要用于在燃烧前对燃油喷射过程进行照明。系统以曲轴转角为单位采集记录发动机燃油喷射、燃烧火焰图像。需要说明的是，曲轴转角编码器定义压缩上止点为0°CA，即可视化系统拍摄的图像都是以0°CA为基准，压缩上止点前为负角度，压缩上止点后为正角度。

图2展示了该系统的台架布置情况。

1.3 双色法

可视化系统可以根据采集到的燃烧过程图片采用双色法对燃烧火焰图像做进一步处理，完成对火焰温度场或碳烟浓度变化过程的分析。其中，双色法是种传统的测高温的方法。其基本原理在于，测出火焰发射出的辐射光在某两个波长上的强度，然后利用由辐射学建立的两个强度与温度的方程，消去一个代表辐射率的未知因子，计算出所要的温度，再代回原方程中的一个，算出与碳烟有关的KL因子。本文采用商业化软件对燃烧火焰图像做后处理，得到碳烟浓度分布图像。

1.4 工况条件

受试验条件和可靠性的限制，需要避免燃油喷射不会接触到石英保护窗，防止在石英保护窗上迅速积累碳烟颗粒，以获得清晰光学测量结果，选择发动机扭矩点转速15%负荷作为试验基础工况点。表2列出基础工况信息。由于CFD仿真中定义压缩上止点为720°CA，所以表中喷油始点角度是为了方便CFD仿真转换后的角度。

表2 基础工况信息

2 仿真模型

2.1 计算网格

为减少计算时间，采用成熟商用软件FIRE中的ESE模块建立1/8燃烧室网格模型，如图3所示。其中，燃烧室模型不包括试验发动机为适应可视化设备而做的相应改动，但模型中包含使发动机实际压缩比保持一致的补偿容积。

2.2 初始和边界条件

根据部分模型的特点，计算区间选择进气门关闭（IVC）至排气门开启（EVO）段工作过程。计算初始条件需要进气门关闭时刻的缸内状况。进气门关闭时刻的气体压力来源于缸内压力实测结果，缸内温度根据燃烧分析仪的计算结果得到。计算开始时，缸内涡流视为一个刚性体的旋转。计算工况点选择试验基础工况点，计算边界条件采用AVL推荐值，初始条件和边界条件数据列于表3中。

表3 计算工况的初始条件和边界条件

2.3 喷雾和燃烧模型

FIRE喷雾模型基于离散液滴法（DDM）。燃油由包含着相同属性的一些小液滴组成进入计算域，通过拉格郎日方法在整个计算空间对这些小液滴进行时时追踪。本文研究中，采用标准WAVE模型用于描述液滴破碎过程。

柴油机燃烧既有预混燃烧又有扩散燃烧，并以扩散燃烧为主。FIRE中的ECFM 3Z是适用于柴油机的相关火焰模型，其中使用一个湍流混合模型来描述油蒸汽和空气之间的混合过程。

3 模型校验

3.1 喷雾过程

由于试验过程中使用的频闪冷光源，所以整个燃油喷射过程也清晰地记录下来。图4比较了CFD计算燃油喷射过程中不同曲轴转角下的缸内温度场切片图与对应角度下的内窥镜拍摄的喷雾图像。

燃油喷射是燃油吸热、雾化、蒸发、与空气混合的过程，因此在718°CA时CFD切片图上可以看到喷孔附近一小团温度降低区域，CFD仿真喷射刚刚开始。图5展示了CFD计算当量比切片图，对应角度下的当量比也非常小。而此时的喷雾图像已经可以明显观察到，通过比较，喷雾区域范围大于CFD切片图范围，此时实际喷油已经开始。

720℃A和722℃A转角下的喷雾图像中可以清楚看到三束喷射，喷雾进一步发展，喷雾贯穿距增大。温度场和当量比的形态与喷雾图像中的喷雾形态吻合较好。喷雾前端由于蒸发以及光源照射角度的影响，已经变得比较模糊。而当量比切片图上，可以看到燃油着壁的情况发生。温度场切片图上判断，722℃A燃烧已经开始。

3.2 燃烧过程对比

图6比较了CFD仿真燃烧开始过程不同曲轴转角下的缸内温度场切片图与对应角度下的内窥镜拍摄的燃烧图像。724℃A的温度场表明燃烧已经开始，对应燃烧图像可以发现，燃烧过程开始于喷雾区域，而在燃烧室凹坑和中间凸台区域还未着火。随着活塞下行，由于反挤流作用，在活塞顶面挤流区出现高温区域，同时由于涡流作用，高温区向旋转方向扩散。由两束喷雾形成的燃烧火焰逐渐重合。从图6中724～732℃A当量比切片图看，燃油逐渐向燃烧室中间凸台处运动，燃烧发生在燃油浓度较高的周围。燃烧室内火焰面积越来越大，火焰亮度也在增加。对比CFD切片图和燃烧火焰图像，可以看出CFD结果与试验数据非常相似。

图7比较了CFD仿真燃烧过程后期不同曲轴转角下的缸内温度场切片图与对应角度下内窥镜拍摄的燃烧图像。CFD仿真结果表明，朝活塞中央凸台运动的燃烧室底部的火焰面积越来越大，燃烧图像上观察中央凸台已经变得困难，然而燃烧图像上反映的火焰区域似乎并没有CFD所反映的区域大，而且随活塞下行逐渐减弱。742℃A燃烧火焰停留在燃烧室中的未燃混合气的地方，对比图5中742℃A切片图是可以看出来的。

由于742℃A以后的燃烧火焰亮度很低，同时内窥镜石英保护窗受到污染，后期的火焰图像没有再与CFD结果进行对比。但从整个燃烧过程的对比上看，CFD仿真结果的趋势与可视化结果的吻合程度还是令人满意的。

3.3 碳烟浓度分布对比

图8比较了CFD仿真燃烧过程中不同曲轴转角下的碳烟浓度分布切片图与对应角度下内窥镜拍摄的燃烧图像通过双色法计算得到的碳烟浓度分布图。基于扩散燃烧理论，扩散燃烧火焰发光是依赖于碳烟分布的，只有碳烟生成的区域才会有火焰光出现。因此，图8中CFD计算得到碳烟浓度分布与图6、图7中的温度场的形态是接近的。图8中双色法计算得到的碳烟浓度分布与CFD结果趋势也是接近的。724℃A碳烟主要在火焰前锋面。732℃A时随未燃混合气的移动，碳烟开始向活塞中央凸台移动，此时碳烟浓度最高。740℃A时随着扩散燃烧碳烟进一步氧化，浓度降低，并进一步向凸台移动。碳烟生成及氧化的整个过程，CFD仿真计算与双色法计算燃烧火焰图像得到碳烟浓度趋势一致。

4 结语

采用基于内窥镜技术在产品级发动机上进行的可视化试验，无干扰的获取发动机缸内喷雾燃烧图像，从喷雾燃烧发展过程的现象学角度对CFD仿真模型进行了校核。校核结果表明当前CFD模型可以较好的反映喷雾燃烧过程，检查了模型的正确性。

［1］刘福水，周磊，陈鑫凯，等.校核和验证（Verification&Validation）准则在此油机喷雾和燃烧模拟中的应用［J］.AVL中国用户大会，2006.

［2］Anders Larsson.Optical Studies in a DI Diesel Engine［J］.SAE 1999-01-3650.

［3］王丽雯，王建昕，何旭.双色法在内燃机燃烧诊断中的应用［J］.小型内燃机与摩托车，2007.