压燃式天然气发动机燃烧过程CFD模拟计算中的若干问题
郑清平，张惠明，邓玉龙
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)
摘 要 ：化学动力学机理、燃烧模型类型以及网格数量等对 CFD计算结果、计算过程收敛性及计算机时有十分重 要的影响.针对一台新开发的压燃式天然气发动机的燃烧过程进行了较为深入的 CFD模拟计算研究，分析对比了 化学动力学机理、燃烧模型类型、网格数量以及计算步长取不同值或采用不同种类时对模拟计算的影响.结果表 明，合理的简化机理既可以节省机时又有较好的计算精度；多维模型由于考虑了流场内温度场的不均匀性以及传 热现象，计算结果与实测值比较吻合；网格数量主要影响计算的精度和计算机时，需要折中考虑.
关键词：压缩燃烧；天然气发动机；计算流体力学；化学动力学机理；网格
中图分类号：TK432 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2006)04-0345-08
Some Problems Occurred in Numerical Simulation cf Combustion Process in a Compressed Igrition Natural Gas Fngine
ZHENG Qixg-ping,ZHANG Hui-ming,DENG Yu-long
(State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
Abstract:Chemical kinetic mechanis m,combustion model type and grid number have a strong influence on the results, convergence and CPU time of compatational fluid dynamics(CFD)simulation.A numerical study on a new developed com- pression ignition natural gas engine was completed intensively and comparisons were made between the simulating results when different chemical mechanis m,combustion models and grid numbers were used.It is shown that the reduced mecha- nis m can save CPU time and enhance accuracy in prediction.The results obtain by multi-dimensional model are in good a- greement with the experimental data because temperature inhomogeneity and heat transfer were considered.Grid numbers mainly influence accuracy and CPU time,so a trade-off must be considered.
开发代用燃料发动机是解决当前传统能源危机的 有效途径之一.天然气由于在成本及排放上的优势成 为最受关注的气体燃料之一.近几年，随着对 HCCI (homogeneous charge compression ignition)研究的进一 步深入，单一燃料天然气发动机的均质压缩燃烧方式 也得到广泛的关注[1-2].研究证明，采用天然气发动机 均质压缩着火方式可取得较高的热效率、低 的 NO 及 碳烟排放.由于HCCI 发动机的着火时刻主要由混合 气成分、温度和压力的变化历程所决定，只能由间接方法控制着火和燃烧反应速度，因而HCCI 燃烧难以控 制，容易产生不稳定燃烧.在低负荷工况下，较低的缸 内温度和较稀的混合气浓度导致失火、部分燃烧等现 象.在大负荷工况下，缸内温度高，引发着火过早和过 快的反应速度，使压力升高过快，出现燃烧敲缸现象.
控制HCCI燃烧的目的除了要保证燃料的可靠着 火外，还要防止中高负荷时的燃烧敲缸现象.近几年在 这方面的研究结果表明，在压燃式发动机上实现可靠 压缩着火的有效助燃措施主要有进气预热、增加压缩比 、热EGR(emisson gas recycling)、预热塞、燃烧室涂 隔热层等.在HCCI 如何向高负荷工况扩展方面的研 究近几年也得到高度的关注.大连理工大学的杨德胜 认为，HCCI燃烧放热过程具有“空间上的分散化”和 “时间上的集中化”两个特点，而后者正是阻碍其向高 负荷工况扩展的根本原因，因而设计了 TR( three-ra- pidity) 燃烧系统，通过控制不同时刻参与燃烧的燃料 质量，实现不同部分燃料在时间上“有序”的自燃燃 烧，即通过燃烧“时间上的分散化”达到在高负荷下抑 制反应速度和避免燃烧敲缸的目的[3.美国 Wisconsin 大学发动机研究中心的Foster 在压缩着火方式的汽油 机中分别采用进气管预喷和缸内压缩过程直喷技术， 在气缸中形成混合气的分层，实现了燃烧“时间上的 分散化”,高负荷下反应速度和燃烧敲缸因此得到抑 制和避免43. 日本气体燃料协会的Akira Higashino 采 用低散热预燃室并通过控制进气方式有效地解决了压 燃天然气发动机高负荷工作粗暴问题5.在该研究中 混合好的空气与天然气的稀混合气在进气过程进入主 燃烧室，压缩终了时少量天然气喷人副室中.通过副室 中天然气先行着火燃烧，然后再引燃主室中的稀混合 气的燃烧方式，使得大负荷时燃烧初期的速率得到控 制，从而避免了工作粗暴的发生.
本研究小组通过分析和总结现有压燃式发动机的 燃烧技术和存在的问题，设计了一种具有复合供气方 式的压燃式天然气发动机，并在此发动机的开发中将 三维CFD软件与化学动力学模型耦合，对其燃烧过程 进行了模拟计算.由于CFD 计算工作量及计算结果的 精度与化学动力学模型机理、模型的网格划分、计算步 长等有着密切的关系，在开展有效的 CFD 研究工作 前，必须对这些影响因素给予高度的重视，以便提高模 拟计算的工作效率.本文对这些相关的问题进行了分 析和对比研究.
1 发动机结构
用于实验研究的发动机为单缸四冲程发动机，主 要结构参数如表1所示.进气系统结构示意图如图1 所示.高压喷嘴斜装在副燃烧室的顶部，喷射压力为6 MPa,低压喷气阀装在进气道上.喷射压力为0.4 MPa. 按照工况的需要，可以实现燃料的3种供给方式：在进 气过程中由低压喷气阀供气的低压供气方式：在压缩 过程中由高压进气阀供气的高压供气方式；在进气过 程中和压缩过程中分别由低压喷气阀和高压喷气阀供 气的复合供气方式.采用3种供气方式并结合燃烧室 的分区结构可以实现混合气在浓度上的分层，从而达到“燃烧在时间上分散”的思想，为扩展压燃天然气发 动机的工作范围提供了前提条件.为保证天然气可靠 着火，还采用了3项助燃措施：进气预热、低散热燃烧 室(陶瓷喷涂壁面如图1所示)及副室电热塞预热.
2 CFD 建模
在内燃机的设计和开发中，CFD已经被作为一种 重要而有效的工具加以利用.本文采用FIRE软件进 行模拟计算.FIRE 软件是以质量、动量、能量等守衡定 律为基础，采用有限体积法将计算域分成若干控制体， 分别对每个控制体求解多维N-S方程和各种运输方 程6.为了将化学动力学机理与CFD数值计算软件耦 合，应用了美国国家实验室开发的大型气相 FOR- TRAN化学动力学分析软件包CHEMKIN⁷. 该软件包 由一个解释程序和一个描述气相反应的子程序组成. 为了能对化学机理控制燃烧的HCCI燃烧过程进行模 拟研究，FIRE 软件提供一个gas general reaction 接口 与 CHEMKIN连接，在这可以定义控制燃烧过程的化 学动力学机理的反应式.用FIRE 模拟计算前，在FOR- TRAN 环境下通过一解释程序首先将所构造的化学动 力学机理转换成 CHEMKIN气相子程序可以识别的一 个二进制文件，模拟计算时 FIRE 软件将按照指定的 路径执行上述子程序，从而达到完成整个化学动力学 与流动的耦合计算.
首先以燃烧系统结构三维结构图为基础建立了用 于CFD 计算的从进气门开启到排气门开启不同时刻 的 三维移动网格图，共有156组网格，各组网格数约在 8～32万之间，图2为其中的两组网格，压缩过程计算 中省略了进气道网格.所有模拟计算是在工作站 hpxw6000上完成.如无特别说明，CFD计算工况及初 始条件均采用表2中的参数.
3 CFD 计算中相关的若干问题的研究
3.1 化学动力学机理
在压燃式天然气发动机中，气体燃料天然气一经 喷入副燃烧室可以很快扩散，与空气形成比较均匀的 可燃混合气，并在助燃措施(如提高进气温度、采用低 散热的燃烧室及电热塞等)的帮助下自行压缩着火， 主室中的稀混合气在副室喷出的已燃气的热作用下也瞬间着火燃烧.整个着火燃烧过程考虑成由当地的化 学动力学机理控制的化学过程，由此可知，描述燃烧及 着火过程是决定模拟计算精度的关键.
天然气的着火机理主要表现为单阶段着火，在燃 烧时 无低温冷焰，且中间产物少，在温度约 600 K时燃 料首先 与氧气反应生成甲基(CH₃ ) 与过氧氢自由基 (HO₂ ),甲基随后氧化生成大量过氧化氢(H₂O₂)、甲 醛(CH₂O)、HCO自由基以及其他中间产物.这些生成 物的量在整个低温反应阶段中缓慢增加，在燃烧过程 发生前达到最大值，过氧化氢在着火时裂解成大量的 H 和 O H 自 由 基，它们与燃料反应生成水和大量的热 量，使产物的温度和反应速度剧增，从而引发燃料多处 同时着火燃烧.
目前在耦合 CFD计算时使用的化学动力学机理 主要有两种，即详细机理和简化机理.天然气的详细机 理主要有[8下述5种.
(1)由美国气体研究所赞助，加州大学开发的 GRI gas research insstitute)机理.最新版本为 GRI3.0 , 由53种物质和325个反应式组成，包括 C, 反应、C₂ 反应、C, 物质反应及 NO生成机理.
(2) LEEDS(university of leeds)机理. 由37种物 质和184个反应式组成，其中包括C₁ 反应、C₂ 反应.
(3) ENSIC(ecole nationale superieure des indus- tries chimiques)机理. 由63种物质和439个反应式组 成，其中包括C₁ 反应、C₂ 反应.
(4) NIST(national institute of standards and tech- nology)机理. 由34种物质和240个反应式组成，其中 包括C₁ 反应、C₂ 反应.
(5) LLNL (lawrence livermore national laboratory) 机理.由155种物质和689个反应式组成，其中包括 C₁ 反应、C₂ 反应、C₃ 反应、C₄ 反应，主要用于浓天然 气-氧气混合气.
由此可见，对同一种燃料，如果研究问题的出发点 不同，会得到不同组成和反应式的详细机理.由于天然 气是多种甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及N₂、CO混合物，故 在天然气不同的详细机理中，或多或少地考虑了除甲 烷之外的烷烃的化学反应机理，有些甚至还包括一些 中间产物的机理.
一方面，反应机理越详细，则越可以在宽的范围内 模拟燃烧系统.另一方面，由于在内燃机缸内的湍流燃 烧过程的三维数值求解中，化学动力学求解是最耗费 机时的工作，求解化学方程所需要的机时比流动方程 要高一个数量级，所以选择机理时要综合考虑这两方 面的因素.
为了解化学反应机理在CFD 燃烧模型中的重要性，本文对比分析了美国气体燃料研究所GRI3.0 机理(详细机理)和本文建立的简化机理(下面称简化机 理1和简化机理2)的一些计算结果.
3.1.1 简化机理1
简化机理1是在GRI3.0基础上应用SENKIN敏 感性分析和速率分析得出的，由42个基元反应和24 种反应物组成.简化机理1由主要的C₁、C₂物质反应 以及NO排放反应(包括 Zeldovich 热力NO 生成反应 和由N₂O 生成的NO反应)组成.附录1中列出了本文 简化机理1的反应式.
1)C,物质反应
C₁ 物质简化机理是应用SENKIN 进行敏感性分 析得出的.SENKIN 是计算封闭系统中均匀混合气化 学反应的软件包，用于简单的单区热力过程的模拟计 算，并可进行与反应物质相关的质量敏感性分析9]. 由碳氢化合物化学动力学机理可知，OH、HO₂、H₂O₂、 H 自由基在化学动力学过程中起着非常重要的作用， 这些物质的发展历程决定了着火时刻以及整个燃烧是 否能顺利进行.由OH、HO₂、H₂O₂、H 的标准化质量分 数敏感性分析可以得出影响这些物质的重要反应式， 这些反应则可认为是影响整个着火和燃烧过程的重要 反应.图3是进气温度为450 K、预混合气过量空气系 数为4.0时的敏感性分析结果，同样在其他工况也做 了类似的敏感性分析.敏感性分析结果显示，反应式对 不同的组分有着不同的影响程度，而且反应式对其中 物质浓度的影响机理非常复杂.含有同一物质的各反 应式之间形成一个作用链，最后的结果是这个反应链 综合作用产生的.例如HO₂ 的标准敏感性系数表明， R6、R7、R8、R10、R13、R16、R17、R18、R19、R20、R21和 R25 对HO₂的敏感性系数为负值，故为消耗HO₂的反 应，其中R17 敏感系数最大，说明R17 是一个主要消 耗HO₂ 的反应.从表面看，R25 的反应结果应该使得 HO₂增加，但由敏感性系数分析得出，它是一个消耗 HO₂的反应，原因是该反应消耗了H₂O₂, 使 HO₂ 主要 消耗反应R16 进行得更加剧烈，从而最终还是促使了 HO₂的消耗.此外，敏感性分析结果还表明，R2、R3、 R4、R5、R11、R15、R22、R24、R27 对消耗HO₂ 起副作 用.最后总结敏感性分析结果，得出了28个比较重要 的 C₁ 物质反应式R1-R28.
2) C₂物质反应
由于C₂ 物质反应在天然气化学动力学过程中也 有一定影响，故在简化反应中也应该包含其中的主要 反应.图4为应用SENKIN 单区热力模型计算的关于 反应主要消耗C₂H₆、C₂H₅、C₂H₄ 和 C₂H₃ 的反应速率. 图4( a) 中有关C₂H₆ 反应的速率图显示，OH+C₂H₆=C₂H₅+H₂O 的反应速率最大，故它是主要使 C₂H₆ 消 耗的反应，应该包含在C₂ 物质的反应中.同理，从图4 (b) 、(c) 、 ( d) 的反应速率图中分别可以看出，消耗 C₂H₅ 、C₂H₄ 及 C₂H₃ 的主要反应为R29-R32,由此得出 了4个重要的C₂ 物质的反应.
3 )N化学反应机理
由于N化学反应属于慢反应，在天然气氧化过程 中，含C 物质来不及与含 N 物质充分反应便已快速氧 化消耗，因而在整个反应过程中，含N 物质生成量相 对要小得多，故在简化机理中可以忽略详细机理中几 乎所有 N 物质的化学反应.但为了能模拟NO的生成， 还需加入与NO形成有关的重要反应式.由于快速NO是在燃料过浓区形成，而本研究中的实际发动机主要 以燃烧稀混合气为主，故简化机理中不考虑快速NO形成反应式.同样因为燃料中的 N 含量非常少，故在 简化机理中忽略燃料 NO形成反应.由于在较高压力 的稀混合气燃烧状态下N₂0 生成NO 的途径非常关键，因此最终在简化机理中保留了4个热NO生成反 应式和6个N₂O途径反应式R33-R42.
图5为简化机理1和详细机理计算压力和温度的 对比.可见，由于简化机理1中去掉了一些抑制燃料氧 化的反应式，如消耗HO₂ 及 H₂O₂自由基的反应，故使 H₂O₂ 提前裂解成OH ,由此引起着火时刻明显提前.
3. 1.2 简 化 机 理 2
为了使简化机理更好地用于实际发动机燃烧过程 的篌拟，且前从工程应用角度出发，可以采用调节主要 化学反应式速率计算式中的动力学参数( 如指前系 数)的方法，至今在国内外已有多篇文献在这方面进 行了报道⁹-15.Amar Patel 为进行HCCI 柴油机燃烧 过程的多维模拟计算，应用 SENKIN 构造一个简化模 型(33种物质，56个反应),由于简化模型计算的OH 摩尔分数变化历程与详细机理的结果有较大的区别， 他采用微种群遗传优化技术( micro-genetic algorithm optimization technique)对简化机理中7个反应式的指 前系数进行了重新优化标定[10,他认为，因为动力学 参数都具有特定的物理意义，在理论上是应该有一个 合适的相对稳定的值，但值得关注的是，目前在实际应 用时不同的文献引用的系数往往有些差异，因此他认 为 ，各反应式的动力学参数可以根据使用的反应路径 及机理的不同，允许在一个合理的范围内变化.Zheng 在将他人的简化模型应用于自己的发动机模拟计算 时，由于燃料组成发生变化，使得模拟计算的着火时刻 与实际结果相差较大，为此他对反应式：H₂O₂+M=OH+OH+M 的指前系数和活化能数值进行了 调整[ 12].
因为碳氢化合物着火过程是由反应过程中 H₂O₂ 达到峰值并开始裂解成OH导致的，为此，将简化机理 1中两个与 H₂O₂ 及 OH 的生成相关的主要反应式 ( H₂O₂(+M)=20H(+M) 及2HO₂=O₂+H₂O₂ )的指 前因子分别由原值7.4×10¹³和2×10¹²降低到9.64× 10¹²及5.5×10¹,由此得到简化机理2.由图5可见，调整参数后的简化机理2的计算结果与详细机理比较吻合.
另外还比较了详细机理和简化机理对计算机时的 影响.这里机时是指IVC 到 EVO 所耗机时.当采用简 化机理时，计算机时由约 120h 减少到约 70h , 能节省约40%的机时.
由于简化化学动力学机理能达到计算精度要求， 且在计算机时上有较大的优势，故下面的模拟分析均 采用了简化机理2.
3.2 燃烧模型
根据近几年有关压缩燃烧天然气发动机燃烧模拟 计算的文献得知，所采用的模型主要有单区模型(或 零维模型)、多区模型和三维计算流体力学(CFD)模 型.下面分析对比零维模型和 CFD多维模型的计算结 果 .其中零维模型采用CHENKIN 软件中内附的 SEMKIN零维模型⁹ , CFD 模 型 采 用AVL 公司的 FIRE软件⁶.压力和温度的计算结果如图6所示. 由 于零维模型考虑的是均匀流场，故这里计算的工况采 用的是低压进气模式，且计算过程从IVC 到 EVO. 进 气终了混合气过量空气系数为3.8; 转速为120U r/ min;转矩为15N·m.
图6显示，零维模型计算的压力和温度值明显高 于多维模型的计算值.这是因为在零维模型中对燃烧 室做了过于简化的处理，其温度均匀性的假设与实际 情况不相符合.实际上，燃烧室中存在边界层和余隙， 其中有一定质量的混合气，且温度比燃烧室中心温度低，着火相对要延迟. 如果假设整个燃烧室有相同的温 度，则所预测的燃烧过程进行得比实际要快，即燃烧持续期和放热过程就缩短，使得最大压力和升高率偏大. 多维模型由于考虑了流场内温度场的不均匀性以及缸 壁、活塞表面的传热，故计算结果与实测值比较吻合. 由于NO排放主要取决于主流气体的温度，故通过单 区模型和 多维模型均能获得较好的预测值，如图7 所示.
3.3 网格
计算区域网格的划分是三维数值模拟计算的前提 和基础，不同网格的划分会影响控制微分方程以及离 散化后的最终形式，故网格质量及数量直接影响数值 模拟计算的整个过程，特别不可忽视的是对流场求解 的精度和效率的影响.网格质量与具体问题的几何特 性、流动特性以及流场求解算法有关，最终由计算结果 来评判.在研究过程中发现，网格对计算收敛性有较大 的影响，同样的算例采用劣质的网格时会造成迭代次 数的增加甚至发散.另外在保证网格质量的前提下，网 格的数量对计算结果也有一定的影响.下面就副燃烧 室网格数对CFD 模拟计算影响的情况进行一些分析. 所采用的副燃烧室网格数分别为85323、61584、37 120,依次为1号网格、2号网格和3号网格.
网格数对计算机时计算结果表明，在图9所示的 复合供气工况下，当网格数从85323个减少到37120 个时，可节省约50%左右的计算机时.
图8为网格数对计算压力及温度值的影响.据文 献[16]报道，在HCCI发动机中，计算结果对网格密度 不敏感，即允许采用较粗大的网格.这里研究的天然气 发动机中采用复合供气方式，故燃烧室中混合气不能 达到完全均匀一致，故计算结果的精度对网格密度有 一定的要求.如图8中所示，2号网格的计算结果与一 号网格计算结果比较吻合，而3号网格计算偏差较大，这是因为副燃烧室中的物理参数梯度较大，网格不能太稀疏.
图9和图10分别为3种网格对燃烧室内温度场和速度场(-20℃A 时)的影响.图中进气温度为450 K, 预混合过量空气系数为5.0,高压喷气时刻为-80 °CA. 这里同样显示了网格3的计算存在较大的偏差.
4 结 论
(1) 化学动力学机理、燃烧模型类型、网格数量 及质量以及计算步长等问题对 CFD计算结果、计算过 程收敛性及计算机时有着十分重要的影响.
(2)合理简化机理既可以节省机时又能保证计算 结果的精度.
(3)多维模型由于考虑了流场内温度场的不均匀 性以及缸壁、活塞表面的传热，故计算结果与实测值比 较吻合.
(4)网格数对计算机时和计算精度有较大的影 响，应该折中考虑.
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