二冲程微摆发动机的三维数值模拟*

郑子辉，汪小憨，蒋利桥，赵黛青（. 中国科学院广州能源研究所，广州 50640；2. 中国科学院大学，北京 00049）



二冲程微摆发动机的三维数值模拟*

郑子辉1，2，汪小憨1†，蒋利桥1，赵黛青1
（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院大学，北京 100049）

摘 要：介绍了二冲程微型摆动式发动机的主要结构和工作原理，运用CFD软件对发动机燃烧室进行三维建模，耦合既定的正弦摆动规律对燃烧室的流场进行计算。分析了工作过程各个阶段的流场特征，并对不同摆动频率下燃烧室的平均压力和燃烧效率进行对比。结果表明，相同进气温度下，摆臂频率越低，燃烧效率越高且平均压力的峰值越大。

关键词：微能源系统；摆式发动机；数值模拟；频率；燃烧效率

0 前 言

近年来，随着便携式电子产品的微型化，基于燃料燃烧的微型能源动力系统由于其高能量密度的特点逐渐成为国内外学者的研究热点［1-3］。微型摆动式内燃发动机（MICSE）作为其中的一种，由于结构相对简单、易于加工和组装，被认为是一种可以大规模使用的微动力装置［4］。理想的二冲程微型摆动式发动机通过奥拓循环做功，一般认为，缩短燃烧时间、提高燃烧室内峰值压力能有效提高发动机的输出功率和效率。在MICSE的特征尺度（厘米量级）下［1］，燃烧室内的燃烧效率强烈受到湍流作用的影响［5］。目前，国内关于摆臂式发动机的研究仍处于刚刚起步的阶段，相关的设计方法和标准尚有待进一步完善和统一。周雄等［6］建立了MICSE热力循环分析的零维数学模型，分析了点火提前系数和燃烧持续时间对燃烧特性参数的影响，以此来指导微型摆动式发动机的设计。内蒙古工业大学的郭志平教授等［7］提出了一种二冲程的微型摆动式发动机，并对其工作过程进行了热力学和动力学分析。与前人的研究不同，本文利用CFD软件结合用户自定义程序的方法模拟正弦摆动的规律，耦合流场和化学反应对微型摆动式发动机的燃烧室进行三维动态建模，模拟发动机各个工作阶段的流场变化。

1 结构及工作过程

本文研究的二冲程微型摆动式发动机与文献［6］类似，结构如图1所示，尺寸参数如表1。通过轴输出动力的中心摆臂在扇形腔内左右摆动，把上下两个大腔室分成4个互不相通的小燃烧腔。其中，上部分两个燃烧腔共用中间一个排气口，排气口设置在扇形腔的一个端面。扇形腔的另一端面的左右两边设置两个进气口。

图1 发动机主体结构图：（a）燃烧腔剖面图；（b）排气罩Fig. 1 Major structure of the engine: （a） combustion chamber profile； （b） exhaust hood

表1 计算模型的基本参数Table 1 Basic parameters of the calculation model

排气口通过摆臂运动控制大小和开合，摆臂遮挡则关，不遮挡则连通，不需要阀门控制。进气口阀门为电磁阀，通过固定进气流率和进气时间控制单次进气量，排气口关闭时同时关闭进气口。预混气的点火通过电火花实现。

从左上燃烧腔开始，沿顺时针方向，对4个小燃烧腔分别命名为A、B、C、D。以A腔室为例，摆臂位于右止点时处于排气阶段，摆臂开始往左回摆；当摆臂位于扫气口关闭前的某一时刻时，进气口打开，进入扫气阶段；排气口关闭后进入压缩阶段，直至左止点；通过电火花点燃A腔内的高温高压气体，预混气体快速燃烧并膨胀推动摆臂向右做功；摆臂左壁面运动至排气口位置时，排气口与外界连通，进入排气阶段，直到右止点，完成一个二冲程的完整工作周期。A、B、C、D的工作状态相同，相邻两个燃烧腔工作相位分别相差半个周期。在后面的研究中，我们采用数值模拟的方法再现和分析以上工作过程。

2 计算模型

2.1 计算区域和网格划分

由对称性可知，发动机4个燃烧腔的流场特性只有工作相位的差别，所以提取A燃烧室作为计算区域。对计算区域进行三维建模，简化的计算区域及网格划分如图2所示。在排气和扫气过程增加进气室和排气室，进入压缩阶段后取消进、排气室的计算区域，只计算燃烧室内的流场。

图2 计算区域及网格划分Fig. 2 Calculation region and meshing

2.2 动网格模型

摆臂式发动机中心摆的运动规律近似为余弦运动，摆臂中心线的运动规律可认为是一个以摆动幅值一半为半径的匀速圆周运动在时间轴上的投影［7］。则燃烧腔A右壁面的摆动方程为：

式中：θ为摆动角度；θmax'为摆臂中心摆幅；f为摆动频率；φ为摆动方程初始相位；Δθ为1/2摆臂角度，取7.5o。

摆臂的运动规律通过 fluent软件的自定义函数编程实现，计算区域中体网格的更新采用铺层法。

2.3 边界条件和反应模型

计算所用燃料为丁烷（C4H10）和空气的混合物，燃料化学当量比为0.6。进气采用质量流率入口边界条件，大小为0.000 692 kg/s，出口边界条件为压力出口，摆动壁面通过动网格实现，其他壁面为绝热边界条件。选用标准k-ɛ双方程模型模拟燃烧室内的流场，近壁面处理方式选用标准边界函数。点火通过火花点火模型实现。燃烧室的燃烧过程为湍流预混燃烧，化学反应模型选用涡耗散概念模型（EDC模型）。

3 计算结果及分析

与其他的微型发动机相比，摆动式发动机最大的结构特点是摆臂的运动导致燃烧室的容积呈现规律性的变化。为了比较不同摆臂频率下燃烧室内参数随摆臂位置的变化，定义无量纲的时间参数 t' = t × f，其中，t为实际运行时间，f为摆臂频率，t' = 1为一个周期。当发动机在不同频率下运行的时候，同样的无量纲时间t' 对应着同样的摆臂位置。

3.1 工作过程流场特征分析

对工作频率为50 Hz，进气温度为700 K的工况进行数值模拟，各个过程的计算结果分析如下。

3.1.1 压缩过程

进气结束时，燃烧腔内充满化学当量比为 0.6的预混气体。压缩过程持续约5.3 ms，速度矢量场随无量纲时间t' 的变化情况如图3所示。燃烧腔内的速度场呈涡旋状，刚开始时进气口附近的流速较高，随着压缩的进行，涡旋中的流体速度逐渐降低，整个速度场趋于均匀。在快到达右止点时，流场中整体速度大小已相差不大，在燃烧腔内逆时针旋转。压缩过程中燃烧腔内气流的旋转主要是由进气过程引起的，因此进气口和进气条件对压缩过程的速度场影响较大。

3.1.2 燃烧与膨胀过程

设置点火提前角为零，假设在点火之前燃烧腔内不发生化学反应。在右止点处点火，燃料在燃烧腔内迅速燃烧，同时膨胀做功。燃烧过程持续约2 ms，燃烧室内 C4H10的质量浓度分布随无量纲时间 t' 的变化情况如图4所示，图中切面为垂直于摆动壁面把燃烧腔均匀分为两部分的横截面。燃料从点火位置开始消耗，并逐步向整个燃烧腔扩散。燃烧腔内存在燃烧死角，主要是由于其距离点火位置最远，且当地的流速较低，不利于火焰的扩散。

图3 压缩过程流场速度分布图Fig. 3 Velocity distribution of compressing process

图4 燃烧过程的燃料浓度分布图Fig. 4 Fuel concentration distribution of combustion process

燃烧开始的同时，气体开始进行膨胀做功过程，持续时间约 5.3 ms。膨胀过程压力随无量纲时间 t'的变化情况如图5所示。压力在点火开始后迅速上升，短时间到达峰值后逐渐下降。同一时刻燃烧腔内压力在几何空间上基本是均匀分布。

图5 膨胀过程的压力分布图Fig. 5 Pressure distribution of expansion process

3.1.3 排气过程

图6为排气过程中速度矢量的三维分布图。t' = 0.61为刚到达排气口位置时的速度矢量分布，流场的速度与摆臂摆动的方向一致，越靠近摆臂，流速越高；排气口打开时，燃烧腔内的高温高压气体迅速从排气口流出，燃烧腔内的压力迅速降低至排气压力；随着摆臂继续向右运动，燃烧室内出现局部的负压环境，排气口开始出现回流，燃烧室内流场在回流的影响下逐渐形成涡旋；从图中还可以看出，摆动式发动机的排气过程虽然很短，但是由于摆臂的往返运动，排气过程并不稳定，回流的存在对于排气的效率以及后续的进气和压缩过程都有一定的影响。同时，燃烧腔内的各个角落的流场速度比较低，是涡旋流场比较难扩散到的地方，这种死角的存在也会降低排气的效率，是设计中需要重点规避的问题。

图6 排气过程流场速度分布图Fig. 6 Velocity distribution of exhausting process

3.1.4 扫气过程

扫气过程位于排气过程的最后阶段，从进气口流入的新鲜气体把燃烧腔内残留的少量气体从排气口挤出。在排气口关闭时同时关闭进气口，自此完成一个循环，进入下一个周期的压缩阶段。

3.2 摆臂频率对燃烧特性的影响分析

3.2.1 摆臂频率对燃烧进程的影响

以燃料燃尽率（消耗 C4H10的百分比）表示燃烧的进程。以点火时刻作为零时刻，排气时刻为t' = 0.265。燃料燃尽率随无量纲时间参数的变化曲线如图7所示。初始阶段反应进行得非常缓慢，燃烧区尚未充分发展（如图4所示）。在反应的中期，火焰区扩大，燃烧速度增长迅速。反应的后期，燃烧区域随着燃料的消耗变小，燃烧速度减小。由于燃烧速度受湍流混合速率和化学反应动力学共同影响，从图7可以看出，提高进气温度能提高压缩终了的湍流强度和化学反应的速度，从而提高燃烧速度。30 Hz时，进气温度为500 K和700 K的工况下，燃尽率达到90%所需的时间分别为2.0 ms和1.1 ms。而进气温度为500 K时，摆动频率为40 Hz和50 Hz的工况在燃尽率为 90%和 69%时已经到达排气位置，未燃气体从排气口排除造成燃烧效率下降。在相同的温度下，随着摆动频率的增大，压缩终了的湍流强度也增大，但容积的变化速率也随之增大。虽然频率的增大会提高整个流场的湍流度，有利于提高湍流火焰传播速度，但同样会提高燃烧腔的容积变化速率，导致燃料的停留时间过短，不利于充分燃烧，特别是在进气温度比较低时，频率增加过大，将导致燃尽率大大降低。

图7 摆臂频率对燃尽率的影响Fig. 7 Influence of swing frequency on burning rate

3.2.2 摆臂频率对压力的影响

不同进气温度下摆臂频率对燃烧腔内平均压力的影响如图8所示。压缩过程不同频率的压力变化曲线基本重合，改变频率对压力基本没有影响。点火开始后，频率越低，压力曲线的峰值越靠近左止点，峰值越高。这种趋势在低进气温度下更明显。压力曲线的变化趋势是与燃尽率曲线对应的，低频率时燃烧速率快，在同样的时间间隔内释放出更多的热量，而且容积变化率小，因此压力上升更快，迅速达到压力的峰值。在进气温度为 500 K，摆动频率为50 Hz时，由于燃烧释放的热量对压力的影响与容积变化对压力的影响相当，因此压力升高的幅度有限。在进气温度为700 K时，虽然不同频率下燃烧的速率仍有不同，但本文讨论的工况均能完全燃烧，且燃烧持续时间足够短，因此压力都能在短时间内达到峰值。

图8 摆臂频率对压力的影响Fig. 8 Influence of swing frequency on pressure

4 结 论

本文建立了二冲程微型摆动式发动机燃烧腔的三维数值模拟模型，通过对各个工作过程的数值模拟，分析了各个工作过程燃烧室内的流场特征。同时，针对摆动式发动机的特点，计算了不同频率和进气温度下燃烧室内的燃烧特性，并定义了适用于分析摆式发动机压力和燃尽率变化的无量纲时间尺度，分析了频率对燃尽率和压力的影响，结果表明：

（1）频率越低，燃烧随无量纲时间进行得越快，燃尽率越高，在进气温度较低时，降低频率能有效提高排气时的燃尽率；

（2）频率越低，燃烧室内的平均压力峰值越大，且压力达到峰值的位置越靠近上止点，这种情况在进气温度越低时越明显。

参考文献：

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［8］ TURN S R. 燃烧学导论: 概念与应用［M］. 姚强， 李水清， 王宇， 译. 第2版. 北京: 清华大学出版社， 2009.

Three-dimensional Numerical Simulation of a Two-stroke Micro Internal Combustion Swing Engine

ZHENG Zi-hui1，2， WANG Xiao-han1， JIANG Li-qiao1， ZHAO Dai-qing1
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：Main structure and working processes of a two-stroke Micro Internal Combustion Swing Engine （MICSE） was introduced. A three-dimensional calculation model of the combustion chamber of the engine was established and fluid flow in the chamber was simulated coupled with sine swing using CFD software. Flow field characteristic of each process was analyzed. Mean pressure and combustion efficiency of different swing frequency was compared. The results indicate that the combustion efficiency and peak of mean pressure increases with decrease in frequency under the same inlet temperature.

Key words：micro energy system； swing engine； numerical simulation； frequency； combustion efficiency

中图分类号：TK4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.02.002

文章编号：2095-560X（2016）02-0088-06

* 收稿日期：2016-01-31

修订日期：2016-03-02

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（973计划）（2014CB239600）；广东省科技计划项目（2014A050503054）

通信作者：†汪小憨，E-mail：wangxh@ms.giec.ac.cn

作者简介：

郑子辉（1991-），男，硕士研究生，主要从事微型摆动式发动机的数值模拟。

汪小憨（1978-），男，博士，研究员，硕士生导师，主要从事固/液燃料的清洁燃烧及污染控制技术的研究。