超级爆震中火焰传播转爆轰现象的研究

魏佳男，冯洪庆，刘海峰

(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300350；2.中国石油大学 新能源学院，山东 青岛 266580)

随着发动机的小型强化发展，在高负荷的工作条件下汽油机易引发爆震燃烧，极端条件下会引发超级爆震.剧烈的爆震燃烧易损坏发动机结构，而超级爆震发生时缸内压力瞬间可升高20 MPa[1].因此，了解超级爆震的发生过程有助于研究抑制措施.研究认为超级爆震源于早于发动机火花点火的早燃(preignition)，早燃引发了火焰传播(deflagration)，随后火焰传播引发爆轰(detonation)导致超级爆震，整个过程被称为火焰传播转爆轰(deflagration-to-detonation transformation，DDT)[2].提前点火时刻可以捕捉到普通的爆震现象，然而早燃具有很大的随机性[3]，所以研究中人为的制造自燃点，但并非所有的早燃都能引发超级爆震.Mubarak等[4]改变热点的时刻和位置探究对超级爆震的影响，结果表明早燃发生的过早不能完成DDT 转变，这种状态下早燃引发的火焰传播逐渐将燃料消耗完.此时的早燃相当于火花塞点火，并且Mubarak等[4]的研究中活塞压缩程度较低(压缩比为 9.5)，末端燃料的活性未达到引发自燃的程度.Rudloff等[5]的研究中也出现了早燃引发超级爆震失败的循环，发现自燃能否引发强烈压力震荡取决于自燃释放能量转化为压力的程度.超级爆震需要早燃是因为需要火焰传播的压缩作用来提高混合气活性.Pan等[6]指出超级爆震与火焰传播和末端混合气作用强度有关，火焰传播增强了末端混合气活性，这导致强烈的二次自燃-爆轰.综上，超级爆震的发生一方面需要混合气活性增强，如Liu等[7]的研究中相同条件下甲醇并未发生爆震，而异辛烷出现了超级爆震现象；另一方面需要适当时刻的早燃诱导.因此，关于超级爆震的研究中一般会提高混合气初始的温度和压力[1,6]，或者使用高压缩比发动机创造极端的热力学条件[8]，此外引入较早的自燃热点模拟早燃诱发爆震[9].

目前，关于超级爆震DDT 过程的研究是边界条件对早燃的影响[3-4,6,8,10]以及自燃状态[1-2,5]对超级爆震和爆震影响.基于边界条件的研究利于发动机控制策略的优化，从而避免高强化发动机超级爆震的发生.研究爆震与超级爆震中自燃的状态有助于阐明超级爆震发生的深层机理.由于模拟捕捉超级爆震所需的时间和网格步长带来了计算负荷激增，所以当前爆轰过程中自维持现象的研究较少，尤其以自燃状态变化作为探究自维持切入点的研究需进一步开展.此外，为了引发超级爆震，一般改变早燃时刻、燃料活性和压缩比特性[2-3,8-9]，笔者选取高压缩比结合早燃诱发甲醇超爆，主要考虑有：(1)甲醇作为清洁燃料，具备优异的特性，即高汽化潜热、高含氧和抗爆震.近年来已经在甲醇的相关研究中发现剧烈爆震的存在[10-12]，作为优异的替代燃料，其爆震的研究仍不充分，因而其爆震机理还有待深入研究；(2)从模拟计算角度，甲醇的反应机理较复杂烷烃简单[13]，在模拟关键活性自由基演变过程的同时，可以减少计算开销；(3)已有高压缩比下成功诱发甲醇爆震的研究[8,10,12]，根据现有研究便于总结引发甲醇超级爆震的边界条件.综上，笔者通过数值模拟甲醇超级爆震燃烧，提取DDT 发生过程中缸内信息，分析火焰传播与末端自燃的作用过程，根据自燃点状态变化，探讨爆轰在发展过程中的自维持现象，并分析爆轰下自燃点状态的转变规律.

1 模拟方法

为了精准捕捉到超级爆震中的转变过程，选用了SAGE 燃烧模型结合Li等[13]开发的甲醇机理模拟燃烧，使用化学反应机理易于判断爆轰中自燃位置的活性状态.此外，大涡模拟(LES)中的一方程黏性模型被用于模拟缸内的湍流流动[14-16]，此模型已经被研究人员应用于模拟爆震燃烧，证明其具有能力模拟非正常燃烧状态下的流动[16].捕捉超级爆震尤其是其中自燃热点状态转变需要足够小的网格尺寸和计算时间步长.网格的选取需考虑：(1)精准捕捉到超级爆震；(2)减少计算负荷.Zhen等[10]在其研究中使用了0.125 mm 的最小网格和2.7 μs 的时间步长，网格的尺寸经过了独立性考核，但是时间步长不足以捕捉到快速的爆轰现象.表1 为模拟爆震选用的网格尺寸，模拟不结合化学反应机理时网格的选取较粗，为1.0～3.0 mm，普通爆震燃烧选用网格较粗，为0.5～2.0 mm，捕捉超级爆震的模拟所需网格较细，为0.1～1.0 mm.综上，为减少计算量，并捕捉到末端自燃状态，在进气门关闭时刻使用2.0 mm 基础网格，早燃后固定网格变为1.0 mm，结合网格自适应技术最小加密到0.2 mm，时间步长选用1.3 μs，用于捕捉自燃并计算压力波速度.

表1 爆震燃烧模拟研究中网格的选用Tab.1 Mesh grid in knocking combustion simulation researches

为了引发超级爆震，选用高压缩比发动机提高未燃燃料活性，发动机的具体结构参数如表2 所示，诱导早燃的热点位置如图1 所示.Wang等[20]在其甲醇和柴油双燃料的研究中指出，上止点缸内温度低于990 K 下甲醇不会提前自燃，对应的初始温度为338 K.为了避免甲醇压燃，进气门关闭时刻的初始温度为320 K.此外，为了降低计算负荷，模拟进气门关闭(-120°CA ATDC)到排气门开启(120°CA ATDC)的这段时间，发动机初始条件如表3 所示.模型建立后与文献[11—12，21]的数据进行对比，如图2所示.在均质充量压燃(HCCI)模式和火花点燃(SI)模式下验证了平均缸内压力，并给出了模型验证的运行条件.模拟的平均缸内压力与文献[11—12，21]数据趋势吻合，仅HCCI 模式下在-2°CA ATDC 时相差较大，考虑到HCCI 属于容积自燃，并且爆震燃烧的随机性，因而所建模型具备预测燃烧过程的能力.

表2 发动机结构参数Tab.2 Engine structure parameters

图1 发动机结构和早燃热点位置Fig.1 Engine structure and location of pre-ignition

表3 发动机初始条件Tab.3 Initial conditions of engine

图2 发动机模型的验证Fig.2 Verification of engine model

2 结果分析

图3 为超级爆震下缸内最大压力曲线，模拟早燃时刻为-12°CA ATDC.在-2.19°CA ATDC 引发了末端混合气自燃，引发超级爆震的自燃点位于左下方近壁处，从-2.19°CA ATDC 到-2.17°CA ATDC 自燃点成长迅速，导致缸内压力瞬间上升.Mubarak等[22]的研究中也发现在爆轰发生前末端混合气中出现了一系列自燃点，并非单个自燃点.图中最大压力超过了100 MPa，已经超出发动机承受范围，通过后面的数据分析表明图3 压力极高部分来自相近多点自燃压力波的相互挤压处，并非燃烧达到.Wang等[1]的研究中超级爆震的峰值压力约为30 MPa，发生爆震时刻的瞬时压力变化达19 MPa，而这台发动机的设置承受压力为11 MPa.Qi等[23]超级爆震研究中快压机传感器峰值压力已经超越20 MPa，瞬时的压力变化幅度也达到了14 MPa.续晗等[24]得到最高爆发压力约为48.4 MPa，Zhen等[25]研究中超级爆震引发的缸内最大压力达到了48.6 MPa.考虑到监测点只能检测布置点位置压力波动，不能检测到缸内不同位置的最大压力，所以用缸内瞬时最大压力反映超级爆震带来的瞬态极值压力变化，更能有效地描述超级爆震.

图3 缸内最大压力Fig.3 In-cylinder maximum pressure

为了排除高压缩比下混合气被压燃的情况，去除早燃热点后得到纯压缩下的缸内温度和压力曲线.图4 中压力和温度并未表现出压缩自燃现象，在-2°CA ATDC 时刻缸内的压力为6.8 MPa，而图3 超级爆震状态下缸内-2°CA ATDC 的最大压力为14.5 MPa，意味着早燃引发的火焰传播造成了7.7 MPa 的压升.Wang等[1]超级爆震的压力曲线反映出火焰传播阶段的压升约为6 MPa，压力传感器记录最高压力为30 MPa.超级爆震中火焰传播是引发DDT 的关键前期，早燃的时刻处于压缩冲程，因而火焰前锋有充足的时间传播发展，此时火焰与活塞的双重压缩导致未燃烧混合气开始反应、活性升高.

图4 去除早燃点纯压缩下的缸内压力和温度Fig.4 In-cylinder pressure and temperature without preignition

为了阐述早燃引发的火焰传播对超爆的影响，图5 展示了-3.21°CA ATDC 到-2.59°CA ATDC 阶段缸内压力的分布和流动情况.在-3.21°CA ATDC 时刻图中划分了几处标识区域，用于描述压力传递的方向.在-3.21°CA ATDC 时刻区域A、C 和B 燃烧释放压力，之后区域A 和C 的压力向区域D 汇聚，区域B处的压力波向壁面传递，到-3.01°CA ATDC 时压力波汇集于区域D 并向区域E 处传递，而区域B 处压力被壁面反弹.从-2.82°～-2.73°CA ATDC 区域E压力汇集，并挤压此处的未燃混合气，到了-2.59°CA ATDC 区域E 汇集的压力波被壁面反弹.从-3.21°～2.50°CA ATDC 的0.71°CA ATDC内，区域E 经历了汇集与壁面反弹两次压缩，并且区域B 也在短时间经历两次压缩.Qi等[23]对比异辛烷和甲醇的超级爆震发现DDT 的转变一般都发生在近壁处，结合图5分析造成这种现象的原因有：(1)近壁处压力低，导致了压力波的汇集；(2)由于壁面的作用，近壁处混合气会在短时间内受到压力波的两次压缩.为进一步详细阐述图中几个区域热力学状态的变化，记录了上述区域位置的缸内温度、压力和活性自由基变化见图6 和图7.

图5 爆轰前缸内压力波动的传递Fig.5 In-cylinder pressure evolution before detonation

图6 检测区域中心位置处温度和压力变化Fig.6 Temperature and pressure curves in the center of monitor areas

图7 检测区域中心位置处OH和H2O2 活性自由基质量分数变化Fig.7 Changing rates of OH and H2O2 radical mass fraction in the center of monitor areas

图6 虚线圈代表各处自燃或者开始燃烧的时刻，箭头标出-5°CA ATDC 到各处自燃的时间段内的温升ΔT 和压升Δp.上述7 个位置中，只有区域E、B和D 处温度和压力同时瞬间增大，并且区域E 发生反应的时刻最早，区域D 处因火焰传播引发了此处的燃烧，而区域E 和B 为瞬间自燃.在压力和温度曲线上区域A、A1 和C1 处都表现为：温度和压力先小幅升高，然后压力引发温度再次升高.结合图3 中压力流动路径可知，区域E 和B 处由于近壁易汇集压力从而导致了区域自燃，图6 中区域E 和B 呈波浪趋势上升的压力曲线反映了这一点.从-5°CA ATDC到每个区域发生燃烧的时间段内，区域E 虽然先发生了自燃，但其之前的温升幅度和自燃前时刻温度在这7 个区域中并非最高，反而区域C1 的温升最大，但此处又并未引发爆轰.区域E 处的压升幅度和自燃前压力是这几个记录区域中最高的，这说明引发超级爆震的过程中压力因素较温度因素更关键.

图7 中除区域A外，其他区域的H2O2质量分数在反应前都接近0.02，只是峰值位置不同.区域D 由于靠近火焰前锋，所以H2O2含量较高，区域B、E、A1 和C1 因压力波的挤压加快了化学反应.如果以H2O2质量分数代表当地区域化学反应的强弱，除区域A 的其他区域从-5°CA ATDC 就开始不断积累自由基，活性都较高，但除区域E 外其他区域并未出现自燃.结合图6 来看，温度和压力的升高都导致了反应物活性增加，但是引发DDT 还需要压力作为触发条件.Chen等[26]探究了压燃和点燃爆震的差异，发现多循环下压燃爆震的压力峰值分布稳定，而点燃爆震的峰值压力分布不稳定.此外在Pan等[6]提到剧烈的爆震发生与火焰传播和自燃点之间的作用有关.结合图5 和图6 分析可知，这种作用应该是以火焰前锋压力释放作为表现，导致了压燃和点燃爆震的不同.火焰前锋的传播一方面扮演活塞压缩未燃混合气提高缸内的能量密度；另一方面这种压缩具有方向性，使能量在某个区域聚集而不是缸内能量均匀升高，这也导致了压燃和点燃爆震的不同.

Wang等[27]研究发现，引发爆轰的已燃燃料质量分数在0.35～0.45内，也即剩余较多或较少的燃料都不足以引发爆轰.燃料剩余较多时表示前期的火焰传播释放能量少，这种情况下末端混合气没有被火焰传播充分压缩；而在较少的燃料剩余下，留给爆轰的能量就不充足，无法完成DDT 的转换.为了进一步探究爆轰过程，使用两条检测线E3-D3 和E2-D2，检测两条线路上温度和压力是如何传递的，两条线分别起始于区域E 的一个爆轰自燃点，如图8 所示.其中，红点表示爆轰过程引发的自燃点.

图8 自燃热点温度和检测线E3-D3和E2-D2示意Fig.8 Temperature of hot-spot and monitor lines of E3-D3 and E2-D2

图9 和图10 为区域E 发生自燃后0.14°CA 内检测线上的温度、压力和活性自由基变化，历时约为18.2 μs.图中标示了每一时刻下缸内的压力波速度，压力波速度以两两相邻时刻压力峰值位移计算得出，图中箭头表示自燃后的传播方向，圆圈表示自燃点编号.曲线上是否发生自燃都以自由基OH 分布判断，如E2-D2 检测线b 时刻上自燃点F 在OH 分布突然升高，结合F 处温度和压力的突然升高，表示此处有自燃发生.在E2-D2 检测线上共存在F、G 和H 三个自燃点；在E3-D3 上存在I 和J 两个自燃点，其中自燃点I 经历了两个时刻的生长，两个时刻对应的OH自由基分布突增，表示此处自燃点的高温反应.分析图9 中时刻c 和d 的OH 和H2O2自由基曲线，自燃点的分布具有明显的间隔特性，如自燃点F 和G 之间存在一段未燃距离，自燃点G 和H 之间也存在一段未燃距离，表示已燃点在自燃后并未向前方未燃区域推进.这种现象在检测线E3-D3 上也存在，如图10 中时刻e 下的OH 和H2O2自由基曲线，自燃点I和J 也间隔出现.

图11 为检测线E2-D2 和E3-D3 上压力前锋速度和两自燃点压力波相对位置.图中红点表示此处有热点产生，红点大小表示自燃处压力大小；图11b中6 条虚线两两相同，表示相同时刻.自燃点E2 和E3 发生后其压力波速度在1.3 μs(约0.01°CA)后降低，在引发下一次自燃前两条检测线上的压力波速度都在1 000 m/s 上下浮动.E2 点在时刻b 引发了自燃点F，此时的压力波速度因自燃的产生加速升至1 358 m/s.结合图11b，此时E3 点产生的压力波按距离计算下一刻到达E2 点压力波传递位置，如图中红色箭头所示.由于E3-D3 路线压力波的挤压，E2-D2传播线路在时刻c 产生了自燃点G.自燃点G 加速了压力波，但是时刻d 在E3 线上压力波速度快于E2，所以E3 压力波于时刻e 到达H处，再次引发自燃.同样的现象也发生在自燃点E3 传播的过程中，E3-D3传播线路上I 处的自燃受到了E2-D2 线路上压力波的影响.自燃的压力波在初产生时速度最高，但要维持其传播速度需要能量的迅速释放，如果把温度峰值当作反应前锋所在的位置，图9 和图10 中初始压力波与反应前锋的速度基本一致，反应前锋的热释放足以支持压力波的传递，表现为图11a 中-2.14°CA ATDC 前压力波速度的升高.之后相邻自燃点释放压力和原线路压力的相互挤压导致了E2 和E3 后新的自燃，造成了检测线上自燃位置隔段分布.除了自燃发生的位置，自燃点F、G、H、I 和J 其压力峰值也不同，图12 为使用Bradley 等的爆轰半岛图[28-29]确定了区域E 自燃点和其后引发自燃点的状态变化.

图9 不同时刻检测线E2-D2上温度、压力和OH-H2O2 自由基分布Fig.9 Distribution of temperature，pressure and OH-H2O2 radicals of monitor line E2-D2 at each time

图10 不同时刻检测线E3-D3上温度、压力和OH-H2O2 自由基分布Fig.10 Distribution of temperature，pressure and OH-H2O2 radicals of monitor line E3-D3 at each time

图11 检测线E2-D2和E3-D3上压力前锋速度和两自燃点压力波相对位置Fig.11 Pressure front speed and relative position of pressure wave at two spontaneous ignition points in monitor line E2-D2 and E3-D3

图12 中E1、E2、E3 和E4 为火焰传播引发的自燃点，这4 个自燃点都位于爆轰半岛内，此后E2 点传播引发的自燃点F 和G 都向图左下移动.纵坐标量纲为1 参数ζ 表示自燃点反应前锋的状态，为声速和反应前锋速度比值.横坐标量纲为1 参数ε表示化学反应加速压力波的能力，为声速经过自燃点所需时间和此处化学反应激发时间比值，量纲为1 参数π 表示自燃点的燃烧等容程度[5].自燃点状态的左下移动表示此时反应前锋速度增大，即F 点、G 点的能量释放所需时间变长.之后压力波的传递引发了热点H，自燃点H 的参数ζ 基本没变，但参数ε增大表示能量释放所需时间缩短.从E2 点到F 点到G点，最后到H点，自燃点的状态表现为反应前锋速度增大，能量释放速度先减小后增大.这种规律在E3 点压力波传播的过程也表现出来，自燃点I 反应前锋速度提升但能量释放速度降低，之后自燃点J 的能量释放速度再次提升.

图12 爆轰半岛示意Fig.12 Schematic of detonation peninsula

从量纲为1 参数π 的角度分析，E2 点到H 点的π 值逐渐增大，自燃点燃烧的等容度增大，表示能量释放转换为压力的能力增强.从E3 点到J 点的π 值逐渐增大，并且I 点和J 点的π 值超越了H点，所以I 点和J 点的自燃点压力达到90 MPa 以上.爆轰在发展过程中要维持高速的压力波传递，初始反应前锋速度不足以支持压力波快速传播，所以需要新的自燃点释放能量进行自维持.发展过程中压力波速度越高，新的热点自燃释放能量速度就需要越快，这导致了I 点、F 点和G 点参数ε降低.参数π 不考虑时间尺度，从E2 点到H 点和E3 点到J 点一直增大，反映出燃烧过程在持续增强，燃料化学能释放并转化成压力的能力增强.

在超级爆震的研究中一般都会提高初始缸内热力学状态，然后采用较早的点火时刻模拟早燃发生，反映出超级爆震对燃料活性的要求[30-31]，如果燃料的活性不满足，即使引发了极端自燃，压力波在传递过程中也无法完成自维持.图9 和图10 自燃点J 和H自燃前的H2O2质量分数很高，高活性的混合气导致J 点和H 点量纲为1 参数ε增大.此外整个爆轰发展中相临多点自燃释放的压力促进前方混合气自燃，使整个过程表现为自燃→压力波传递→自燃状态1→压力波缓慢增强→自燃状态2，自燃状态1 下能量释放速度相对压力波速度减小，自燃状态2 下能量释放速度相对压力波速度增大.这表明爆轰从开始到后期发展引发了两种自燃点，两种自燃点能量释放速度随着爆轰的发展逐渐增强，并且能量更多地转换为了压力.

3 结论

(1) 压力是火焰传播作用于自燃并引发爆轰的主要原因；此外，近壁处引发DDT 是因为易汇集压力，并在短时间内经历压力波两次压缩，这不同于活塞压缩的原因在于这种压缩具有方向性.

(2) 维持爆轰需要压力波前新自燃点能量释放加速，量纲为1 参数ε先减小后增大，所以爆轰发展经历了自燃→压力波传递→自燃状态1→压力波缓慢增强→自燃状态2，自燃状态1 下能量释放相对压力波速度减小，自燃状态2 下能量释放相对压力波速度增大.