壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响

杨 灿，李庆旗，龚 涛，成晓北，王英达

壁面温度和撞壁距离对柴油喷雾燃烧特性的影响

杨 灿1，李庆旗1，龚 涛2，成晓北1，王英达1

(1. 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074；2. 东风商用车技术中心，武汉 430074)

壁面温度；撞壁距离；燃烧特性；定容弹；OpenFOAM

在高转速、高喷射压力、小缸径柴油机中，受限于燃烧室几何尺寸，喷雾撞壁几乎无法避免[1-2]．除此之外，在冷启动条件下，缸内环境差，喷雾蒸发差，喷油量较正常工况更大，柴油发动机喷雾撞壁亦经常发生[3]．喷雾撞壁会影响喷雾的破碎、雾化和蒸发过程，一方面，撞壁形成的头部涡流可加速喷雾对空气的卷吸、促进可燃混合气的形成，另一方面，液相喷雾撞壁所造成的“湿壁”效应，一定程度上加剧了碳烟的生成和排放．已有研究表明燃烧后期附壁油膜池火燃烧是碳烟生成的主要原因之一[4]．撞壁所造成的混合气当量比在时间和空间上的不同对后期的燃烧和排放特性产生影响[5-8]．撞壁距离作为影响喷雾/火焰撞壁发展特性的重要参数之一，其影响规律的研究对指导发动机燃烧室几何设计和喷油策略制定有重要意义．

毛立伟等[9]运用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术，研究了高温高压下，撞壁距离对柴油喷雾撞击平壁后燃油分布特性的影响．研究发现，随撞壁距离增大，液相燃油质量分数增大，浓混合区气相燃油质量分数减小，较浓混合区气相燃油质量分数先增大后基本保持不变，稀混合区气相燃油质量分数增大．Sato等[10]运用一种新型激光全息方法，探究了高压常温下，撞壁距离和撞壁角度对喷雾索特平均直径(SMD)空间分布的影响．结果表明：与自由喷雾相比，自由射流区喷雾的SMD基本相同，而在撞壁后壁面射流区钝角侧喷雾的SMD更大，锐角侧喷雾的SMD更小．在较小的撞壁距离下，喷雾在壁面的积聚度更高，钝角侧喷雾头部SMD更大．在较小的撞壁夹角下，喷雾撞壁的动量损失较小，对喷雾破碎的影响小，钝角侧喷雾头部的SMD更大．

Liu等[11]综合运用高速摄影，Mie散射和纹影法，研究了不同壁面条件下柴油喷雾的着火和燃烧特性，发现在较小撞壁距离下，撞壁可有效促进可燃混合气的生成，加速火焰发展，随撞壁距离增加，滞燃期延长．Li等[12]运用激光吸收散射法，在高温高压条件下，研究撞壁距离对射流喷雾和火焰发展特性的影响．研究发现，在小撞壁距离下，喷雾蒸发速率较慢，当撞壁距离增大到60mm时，喷雾在撞壁前完全蒸发；随撞壁距离增大，火焰平均温度增大，撞壁冲击对碳烟的生成速率影响较小，但可提高其氧化速率．Imrf等[13]综合运用高速相机直拍和双色法，在高温高压条件下，研究壁面距离对火焰撞壁燃烧过程和碳烟生成过程的影响，研究发现，随撞壁距离减小，撞壁冲击对油气混合的驱动力增强，碳烟温度和碳烟含量降低．

1 试验装置和试验条件

1.1 试验装置与试验原理

试验在电加热式高温高压定容弹中进行，图1为装置示意．试验所用喷油器为单孔喷油器，喷孔直径为0.19mm，所用柴油为0#柴油．研究模拟活塞壁面为平壁，可避免自由射流和壁面次级射流间的相互干扰，减小复杂性．本研究所用模拟活塞为冷却水式，壁面温度由4支同轴薄膜热电偶测得，热电偶顶端距壁面0.5mm，根据4支热电偶所测平均温度，调节冷却水流量，实现壁面温度的调节．模拟活塞冷却水管与适配器以直通式卡套的方式密封和连接，在弹体常压、冷态下，可通过拆卸卡套，将模拟活塞推至相应位置，实现撞壁距离的调节．

图1 试验装置示意

本文基于高速纹影摄影技术，捕捉自由射流喷雾的气相贯穿距和撞壁喷雾的铺展距离，分别用以标定数值模型计算和描述撞壁喷雾发展过程；基于背光拍摄法，捕捉自由射流液相喷雾贯穿距、观察4种撞壁模式下液相喷雾湿壁情况；采用广域低通化学发光法，捕捉着火时刻小分子激发态自由基CH*、C2*等在能级跃迁时的化学发光[16]，以获得4种撞壁模式下火焰的滞燃期和着火位置；基于ND减光拍摄法，过滤柴油燃烧过程中的化学光，可近似认为只保留碳烟辐射光[17-18]，以获得4种撞壁模式下的综合火焰亮度和火焰面积．

1.2 试验工况

试验工况详见表1，为准确实现对严重湿壁、轻微湿壁、临界湿壁和未湿壁4种撞壁模式的试验研究．首先，通过试验获得环境压力3MPa(环境温度850K，N2氛围)自由射流工况下，准稳态阶段喷雾液相贯穿距时均值，如图2所示，基于此，本文选取了25mm、35mm、45mm、55mm等4种撞壁距离，分别对应上述4种撞壁模式，如表2所示．

表1 试验工况参数

Tab.1 Experiment conditions

图2 自由射流工况下的喷雾液相贯穿距

表2 4种不同撞壁距离

Tab.2 Fourdifferent wall impingement distances

2 OpenFOAM数值计算模型建立及标定

为定量分析多条件下4种撞壁模式对油气混合特性的影响，揭示试验所描述的火焰撞壁的宏观规律．本研究基于OpenFOAM建立定容弹喷雾撞壁的数值计算模型．计算采用六面体均匀结构化网格，达到精确计算壁面射流区的目的，近壁区域法向进行网格加密，图3为轻微湿壁模式下的网格模型．数值计算中，湍流模型、粒子碰撞模型、破碎模型等子模型选择见表3．

图3 OpenFOAM网格模型示意

表3 OpenFOAM模型选择

Tab.3 Model selection in OpenFOAM calculation

图4 网格适应性验证

图5 数值仿真模型的标定

3 结果与分析

3.1 不同撞壁模式下的液相喷雾湿壁特性

图6为背光拍摄法所得到的准稳态阶段喷射后时刻为0.9ms时，不同撞壁模式下喷雾的液相直拍图像．高壁温和常规壁温下，严重湿壁和轻微湿壁模式均有明显的液相喷雾撞壁现象，前者液相燃油附壁现象严重，后者则较为轻微，表现为严重湿壁模式下液相铺展距离均大于轻微湿壁模式下．而在临界湿壁和未湿壁模式下，从背光直拍图中未现液相燃油附壁现象．对比图6(a)和图6(b)不同壁面温度下严重湿壁模式和轻微湿壁模式，可以发现，相同撞壁模式高壁温下液相铺展距离均小于低壁温下，这是因为前者喷雾与壁面的温差较大，壁面热流量高，附壁喷雾蒸发速率快．

图6 不同撞壁模式下液相喷雾背光直拍图像

3.2 不同撞壁模式下的喷雾着火特性

图7 不同撞壁模式下的滞燃期

图8 不同撞壁模式下着火点到壁面滞止点的径向距离

3.3 不同撞壁模式下火焰发展特性

结合图9(a)和(b)可以发现，两种壁面温度下综合火焰亮度(SINL)随撞壁距离的增大都呈现先减小后增大的趋势．Mueller等[20]的研究表明，综合火焰亮度与碳烟体积分数直接相关．这表明，在临界湿壁和未湿壁模式下，火焰燃烧过程中的瞬时碳烟质量分数较高．这主要是由于较大的撞壁距离下撞壁所引起的近壁涡流、扰动较弱，油气速率低，浓混合气质量分数高，相较于轻微湿壁模式，临界湿壁模式下，湿壁严重，附壁油膜质量大，池火燃烧所生成碳烟量高．整体上相同撞壁模式时常规壁温下的综合火焰亮度小于高壁温下，这是因为常规壁温下滞燃期相对较长，着火前油气混合时间更长，着火时浓混合气质量分数低，同时壁面传热量大，燃烧温度低，瞬时碳烟质量分数小．在燃烧持续期方面，两种壁面温度下，严重湿壁模式和轻微湿壁模式持续期更长，SINL峰值点后燃烧过程缓慢．

不同撞壁模式下，火焰面积随时间的变化规律如图10所示．与综合火焰亮度类似，火焰面积随撞壁距离的增大呈先减小后增大的趋势．在峰值上，未湿壁模式下火焰峰值面积更大，这与其瞬时碳烟含量更高，可利用燃烧空间更大有关．而在严重湿壁模式下，虽然其综合火焰亮度值最高，但是由于其燃烧空间受限，其火焰面积并不是最高值．在轻微湿壁和临界湿壁下，由于其适中的撞壁距离和空间大小，使得其对自由射流区和壁面射流区的空气利用率较好，瞬时碳烟含量较低，瞬时碳烟空间分布区域小．与综合火焰亮度相比，常规壁温下对应撞壁模式下的火焰面积与高壁温下相比略小但差值不大，这表明高/常规壁温下碳烟在空间的分布区域大小相当，但常规壁温下瞬时碳烟质量分数更小．

图9 不同撞壁模式下的综合火焰亮度

图10 不同撞壁模式下的火焰面积

3.4 不同撞壁模式下喷雾燃油和温度分布

图11 着火时刻4种撞壁模式下当量比分布

图12 ASOI＝1ms时4种撞壁模式下当量比分布

不同撞壁模式下流场最低温度如图13所示．在高、低两种壁温条件下，随着撞壁距离的减小，喷雾湿壁程度增加，由于喷雾蒸发吸热导致流场最低温度逐渐下降，临界湿壁和未湿壁条件下的流场温度相差不大．这也解释图7所示的滞燃期随撞壁距离增大先增大后减小的第2个原因，即严重湿壁模式下，撞壁距离下，空间狭小，热空气含量少，蒸发时混合气流场内温度相对较低．对比高、低壁温条件下的流场温度变化，可以发现在低壁温下ASOI处于[1.15ms，1.6ms]区间内的流场温度更低，这也是其滞燃期更长的主要原因．

图13 不同撞壁模式下的流场最低温度

4 结 论

(1)随着壁面温度升高，滞燃期缩短，火焰面积和火焰综合亮度增加．且湿壁程度越大，壁面温度的影响越显著．

(2)在高壁温条件下，喷雾撞壁可以促进油气混合，以及着火和燃烧过程，而在壁面温度较低时则 相反．

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Effects of Wall Temperature and Impingement Distance on Impinged Diesel Spray Ignition and Combustion Characteristics

Yang Can1，Li Qingqi1，Gong Tao2，Cheng Xiaobei1，Wang Yingda1

(1. School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center，Wuhan 430074，China)

This study examines experimentally the interactions of wall temperature and impingement distance and their effects on the impinged diesel spray ignition and combustion characteristics in a modified constant-volume combustion chamber. Two wall temperatures of 570K and 800K and four impingement distances that correspond to severe wall-wetting，slight wall-wetting，critical wall-wetting，and non-wall-wetting separately are tested. The results indicate that increasing wall temperature can promote auto-ignition and the following combustion process，denoted by shorter ignition delays and higher flame area and spatially integrated natural luminosity values，but the promotional effect generally weakens with the increase of impingement distance. When the wall temperature is high enough，the spray/wall impingement can accelerate the evaporation of fuel and its mixing with the entrained air，and decreasing the impingement distance will promote auto-ignition and combustion. The trend is basically the opposite in low-wall temperature cases where the cooling effect plays a leading role.

wall temperature；impingement distance；combustion characteristic；constant-volume combustion chamber；OpenFOAM

TK11

A

1006-8740(2023)04-0373-08

10.11715/rskxjs.R202305034

2023-05-31．

国家自然科学基金资助项目(51906077).

杨 灿(1986— )，男，博士，副教授.

杨 灿，ycanll@hust.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)