微粒捕集器再生用燃烧器流场特性分析*

袁文华 ， 黄雅兰 ， 伏 军 ， 黄启科 ， 李光明 ， 王本亮

（1.邵阳学院，湖南 邵阳 422000；2.邵阳学院高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000）

柴油机微粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）是一种能够有效降低微粒产物排放的后处理装置，并且在其众多的主动再生技术中，喷油助燃再生的燃料直接来源于柴油机自身的燃料，取用方便[1-4]，不需要消耗汽车电池所提供的能量，对柴油的含硫量没有特定的要求[5-6]，且容易实现对在用车的改造。

基于课题组前期工作，为了研究旋流数对燃烧器的流场特性是如何影响的，本文提出了一种新型的双旋流DPF再生燃烧室结构，使用了流体仿真软件分析了两种燃烧室的冷态流畅特性，讨论两种供风系统下速度、温度和湍动能分布特性，为DPF喷油助燃再生燃烧器的设计提供指导。

1 模型介绍

1.1 物理模型

图1是本文所提出的两种供气形式下DPF喷油助燃再生旋流燃烧器的简化模型，其中a）为单旋流供风时的简化模型，其特点为只有一个旋流供风入口；b）为双旋流供风时的简化模型，其特点为拥有内外两个旋向相反的旋流供风入口。按照各部分的功能不同，两种燃烧器均可以分为油气混合室、燃烧室、过滤体段和总排气段四个部分。

图1 旋流燃烧器结构

1.2 流体域模型建立

运用三维软件绘制出微粒捕集器用燃烧器模型，由于传感器的安装方式以及连接处的密封性对燃烧器内部流体的整体流动特征影响极小，故而忽略传感器的安装方式和连接处的密封。

考虑壁流式蜂窝陶瓷过滤体的作用是对柴油机尾气颗粒进行捕集[7-8]，并不参与燃烧，在满足数值仿真可行性的前提下，考虑计算对计算机资源的消耗，可以去掉一些不必要的环节，从而加快整个数值仿真计算的速度，因此在计算过程中将过滤体段和总排气段看成了一个压力出口，将其出口静压设置为15 kPa。模型采用非结构化网格的画法，将网格的最大尺寸设置为0.2 mm，保证网格质量均在0.6以上。

1.3 计算模型与边界条件

1.3.1 湍流模型

SSTk-ω湍流模型在湍流黏度方面考虑了湍流剪应力传播带来的影响，能够更精确地测量反压力梯度引起的分离点和分离区大小，也会有更好的可信度和精度，由于双旋流燃烧器的湍流流动比较复杂，所以选择了SSTk-ω模型来模拟旋流器的流动状态。其流动方程如式（1）和式（2）所示：

式中，Gk为湍流的动能；Gω为ω方程；Γk和Γω分别代表k和ω的有效扩散项；Yk和Yω分别代表k和ω的发散项；Dω代表正交发散项；Sk和Sω是用户自定义。

1.3.2 入口边界条件

对于SSTk-ω湍流模型，湍流动能k使用近似公式来估算[9]，式（3）为近似公式：

式（3）中，uavg为平均流动速度；I为湍流强度。

根据式（4）计算所得湍流强度I：

式（4）中，ρ为流体密度；v为流体流动速率；dH为管道的特征长度；μ为动力黏滞系数。

采用相应湍流强度和水力直径来替代dH和L数值，见公式（5）：

式（5）中，A为流过截面面积；L为流动的特征长度；lc为流经截面上流体湿润周长，即为油气入口截面上所流过截面的周长。

设置进口边界条件为速度入口，设定进口温度为303 K，由公式（3）～（5）计算出进口的湍流边界条件，包含的湍流强度和水力直径，具体设置如表1所示。

2 仿真结果分析

针对燃烧模型，根据表1所示的边界条件，分析其中心回流区、尾气燃烧室的流场特性。

表1 入口边界条件

2.1 旋流器数量对燃烧器内速度的影响

回流区大小和回流强度是常被用于评价旋流燃烧器性能的两个指标[10]。两种旋流器均能形成一个稳定的中心回流区，这个区域能够有效加强油气卷吸、混合，并且可以增加可燃混合气在燃烧室的停留时间、将火焰稳定在燃烧室中部，能够提高燃烧的完全程度，并且对于降低NOx的生成量具有重要的作用。

双旋流燃烧器的中心回流区长度明显短于单旋流燃烧器。双旋流燃烧器内的中心回流区形成了一个类似于“葫芦”的形状，这是由于双旋流燃烧器的内外旋流器旋向不同，加之增加一个旋流器后空气进口的面积增加使得空气进入燃烧室后速度变低，导致了回流区长度明显短于单旋流器。

燃烧器内中心回流区的形成是由于旋流器的作用使得空气流入时在靠近壁面的一圈形成了一圈速度较快的区域，这样就令靠近中心轴线的区域形成了一个低压区，这个低压区卷吸着从排气入口排入的柴油机尾气，从而形成了一个稳定的中心回流区。并且两种旋流燃烧器在突扩位置均能够形成局部回流，这一块回流区贴近燃烧器突扩及燃烧器壁面，被称为重附着区，这个区域的局部回流能够有效促进燃烧时高温气流将突扩末端的空气卷吸进燃烧气体内以进一步完成燃烧过程，突扩的诱导作用加强了该部位的湍流强度，形成局部的湍流效应和旋涡运动，涡团的产生、发展、移动和破碎加快了燃烧反应速率或火焰传播速率，有利于改善火焰末端缺氧部位的燃烧稳定性。对两个燃烧器的速度矢量图进行对比不难看出，双旋流燃烧器的重附着区面积较单旋流燃烧器更大，即在双旋流燃烧器突扩位置的油气混合及火焰稳定性优于单旋流燃烧器，加强了油气混合区外围的气流扩散运动，对保证全局范围内均匀的油气混合物的形成更为有利。

2.2 旋流器数量对排气管中心截面速度的影响

双旋流燃烧器形成了多个小的绕流区，而单旋流燃烧器产生的绕流区则更大，在绕流的作用下，尾气入口管处会形成局部回流区，通过局部回流区内的可燃混合气与尾气的掺混、燃烧与扩散，以及对回流区外未燃气体的不断卷吸，可以有效维持燃烧的过程。

3 结论

1）两种旋流器均能形成一个稳定的中心回流区，增加旋流燃烧器供风口的旋流数后，空气进口的面积增加，使得空气进入燃烧室后速度变低，导致了双旋流燃烧器回流区长度明显短于单旋流燃烧器。

2）两种旋流燃烧器在突扩位置均能够形成重附着区，双旋流燃烧器的重附着区面积较单旋流燃烧器更大，即在双旋流燃烧器突扩位置的油气混合及火焰稳定性优于单旋流燃烧器，加强了油气混合区外围的气流扩散运动，对保证全局范围内均匀的油气混合物的形成更为有利。

3）两种旋流器均在发动机尾气入口管轴线两侧形成了绕流，双旋流燃烧器形成了多个小的绕流区，而单旋流燃烧器产生的绕流区则更大。通过绕流促进了可燃混合气与尾气的掺混、燃烧与扩散，以及对回流区外未燃气体的不断卷吸，可以有效维持燃烧的过程。