颗粒捕集器喷油助燃再生旋流式燃烧器流场特性分析

伏军, 李剑星, 汤远, 康文杰, 张增峰, 李煜

(1. 邵阳学院机械与能源工程系， 湖南 邵阳 422004;2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410082)



颗粒捕集器喷油助燃再生旋流式燃烧器流场特性分析

伏军1, 李剑星1, 汤远1, 康文杰1, 张增峰1, 李煜2

(1. 邵阳学院机械与能源工程系， 湖南 邵阳 422004;2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410082)

颗粒捕集器喷油助燃再生燃烧器内的流场分布对气流组织及油气混合有重要影响，而供风形式是燃烧器内流场特性的主要影响因素之一。为了在燃烧室内形成稳定持续的回流，促进油气混合进程，分别采用双矩形口切向供风和直片式轴向旋流器供风两种供气形式，设计等入口截面面积的两种供风系统结构，并在相同发动机排气和补气条件下对燃烧器冷流场进行仿真分析。分析结果表明，两种供风形式均能形成可回流到油气混合室端面的中心回流区，轴向旋流器供风时的中心回流区的长度、最大回流速度、突扩位置的重附着区长度分别比双矩形口切向供风时大8.11%，5.63%和9.59%，且轴向旋流器供风时的湍动能大于双矩形口切向供风。对比结果显示，利用轴向旋流器供风更有利于促进混合过程的进行，对气流的组织更合理。

颗粒捕集器； 旋流燃烧器； 再生； 喷油助燃； 流场分布

柴油机颗粒捕集器(DPF)喷油助燃再生是当过滤体碳载量达到一定程度时，通过一套特定装置向过滤体上游喷射燃油并供给新鲜空气，然后由点火装置将喷入的燃油点燃，引燃颗粒实现过滤体再生。这种再生方式具有燃料直接取自油箱、能量利用率高、再生效率高、对发动机冲击小、适用于含硫量较高的柴油等优势，在柴油机后处理中扮演着越来越重要的角色[1-2]。

在DPF喷油助燃再生装置中，燃烧室的气流特性直接影响着油气混合组织优劣及后续的燃烧特性，需要重点加以研究。吁璇设计了一种环形管路为DPF再生燃烧器供风，并通过仿真分析了喷油助燃再生系统在不同道路工况下的再生周期及再生效率，为喷油助燃再生系统在柴油车上的使用提供了指导[3]。天津大学、武汉理工大学、军事交通学院联合设计了一种空气来源于涡轮增压器的全流式燃烧器，并对此展开了相关的理论和试验研究，取得了较好的效果[4-5]。龚金科等设计了几套全流式燃烧器并进行了一定的理论研究，针对油气配比、热工参数、控制系统等进行了一系列的数值及试验研究[6-8]。D.S.Park，J.U.Kim及E.S.Kim等在对喷油助燃再生的技术、性能进行深入研究并从理论上优化了过滤体的再生时机判断和选择，进而设计了一套旁通式DPF喷油助燃再生系统，降低了喷油助燃再生系统对柴油机自身工作性能的影响，提高了喷油助燃再生系统的实用价值[9-10]。

前期的研究针对DPF喷油助燃再生设计了一种旋流式燃烧器，该燃烧器由两根关于过滤体轴线中心对称且与油气混合室相切布置的圆管向燃烧器供风，利用“旋流+突扩”的方式形成回流，以稳定火焰，为喷油助燃再生燃烧器设计提供了一种新思路[11]。但由于圆管在燃烧器轴向上的跨度较小，油气混合效果相对较差，且在试验时发现回流效果并不理想。本研究将借鉴这种思路，结合切向引入和导向叶片这两种常用于产生旋转气流的方法[12-14]，对DPF再生燃烧器的供风形式展开讨论，重点讨论双矩形口切向旋流供风和轴流式直叶片旋流器供风两种情况下燃烧器内的速度、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

本研究的DPF及其再生用燃烧器主要针对ZD25TCR4100高压共轨柴油机(排量为2.5 L)设计，所采用的过滤体为壁流式蜂窝陶瓷，长度为200 mm，直径为196 mm，体积为6.0 L，孔隙率为0.42。鉴于目前研究的喷油助燃再生装置的发动机废气主要是沿过滤体轴线引入[15]，这种引入方式在再生时对过滤体有较大的热冲击，因此，本研究考虑采用发动机废气径向供入的方式来缓解这种现象，在再生时由于火焰传播方向与发动机废气供入方向近乎垂直，而发动机流速较高，可有效避免火焰前锋对过滤体的直接冲击，降低尾气温度波动对过滤体的热损伤。同时由于单切向入口的初始速度、轴向速度、湍动能等偏心分布[16]，故采用双切向入口为燃烧器供气。

图1示出了所研究的两种供气形式下的颗粒捕集器喷油助燃再生燃烧器的简化模型。两种燃烧器均可以按照功能分为油气混合室、燃烧室、过滤体和总排气四部分。

两种供风形式下,助燃空气入口的截面情况见图2。

其中截面长度a为60 mm，截面宽度b为20 mm，喷油嘴安装孔半径R为12.5 mm，内环半径R1为31 mm，外环半径R2为43 mm，叶片厚度δ为2 mm，平均叶片宽度α为19 mm，叶片安装角θ为37°，旋流器长度t为20，叶片数目n为10，总截面面积2 400 mm2。

1.2 流体计算模型

由于装置中的过滤体为壁流式蜂窝陶瓷，空气流通孔道小，气体在流经过滤体孔道时受到的阻力较大，因此，进行网格划分前需对流体域模型进行分割并对该部分单独定义。划分网格时，除过滤体部分存在特殊性，需要采用结构化的六面体网格，其余部分并不存在特殊结构，采用非结构网格已可以满足计算需求。最后需要将各部分网格进行合并，交界面处的网格节点采用正投影方式对接，使各交界面能够进行数据流通。在双矩形口切向供风情况下，整体网格约有24.8万网格节点，轴向旋流器供风情况下约20万网格节点。图3示出了两种供风形式下的网格模型。

1.3 边界条件与计算模型

1.3.1 入口边界条件

根据DPF的体积及发动机排量，参照文献[7]的研究结果，初步选择再生时喷油率为65 g/min，柴油的理想油气比为11.4，考虑再生时碳颗粒燃烧需要大量的空气，适当增大供气量，选择油气比为18.5，此时供入的空气体积流量为1.2 m3/min。忽略发动机排气对助燃空气的影响,并根据入口的截面面积计算入口的空气流速。

(1)

式中：Vm为助燃空气的体积流量，值为1.2 m3/min；ν为供气速率；A为空气入口的截面面积，值为2 400 mm2。计算得到的供气速率为V1=V2=8.3 m/s。

本研究主要分析冷态流场，不涉及燃烧反应等复杂过程，在分析时忽略发动机排气的复杂成分而将其简化为空气。基于上述简化处理，在发动机转速为1 000 r/min，30%的负载率时对发动机排气数据进行采集，并以此为废气入口初始条件，具体为平均排气温度620 K，平均排气流速16.59 m/s。根据采集到的数据以及文献[17]，计算各入口的湍流强度与湍流尺度，结果见表1。

表1 各入口边界的湍流强度及湍流尺度

1.3.2 湍流模型

目前，我国各个地区尚没有合理的土地储备管理模式，再根据土地储备行为的主体实施者是政府，所以以政府为主导的土地储备管理模式为首选。实践充分表明，这种管理模式尽显优势，土地储备管理是政府优化土地结构的重要手段。另外，土地储备管理的主要对象是土地一级市场，而土地的所有权属于政府，导致土地一级市场被完全垄断，所以结合这种实际情况，我国的土地储备管理制度不能以市场为主导，而是应该以客观实际为出发点，也要遵循合理的市场规律，这样才有可能实现预期目标。

由于Realizablek-ε模型对大曲率旋转流场的高精度特性，选择该模型作为本研究中旋流流场预测模型，其湍动能和耗散率输运方程为[18]

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在计算时选择对湍流瞬态流适应性较强的PISO算法作为主导算法，压力插值采用适合多孔介质流动和高度扭曲区域的PRESTO!离散格式，考虑到多孔介质的特殊性，能量、湍动能等均采用一阶迎风格式进行插值。

2 仿真结果与分析

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[19]，通常将轴向速度为负值的区域定义为回流区，回流强度则用轴向负速度的大小进行表征[20]。图4示出了两种供气形式下燃烧器中心轴线上的轴向速度曲线图。由图可以看出，两种供气形式下均能形成较大的中心回流区，其中轴向旋流器供风形式下的中心回流区长200mm，比矩形口切向供风时大8.11%，两个回流区均从油气混合室端部一直延续到发动机废气入口管中心附近。轴向旋流器供风时中心轴向上最大回流速度为2.44m/s，比双矩形口切向供风时大5.63%。即轴向旋流器供风形式下的回流强度更大，回流的卷吸作用更明显，更有利于加强发动机废气与助燃空气的混合。

2.1 两种供风形式对燃烧器内速度的影响

从图5可以看出两种供气形式下在突扩位置均能够形成局部回流，这个漩涡区能够有效促进燃烧室内冷热气流的混合，从而提高再生时火焰的稳定性[21]。将在壁面处轴向速度的径向导数为零的点称为重附着点，突扩回流的重附着点到突扩的距离称为重附着区长度。重附着区长度L2决定这个区域的大小。轴向旋流器供风时L2=80 mm，比矩形口切向旋流供风时大9.59%，即在轴向旋流器供风燃烧器突扩位置的油气混合及火焰稳定性优于矩形口切向旋流供风，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形成极为有利。

2.2 两种供风形式对排气管中心截面速度的影响

图6示出了发动机废气入口中心截面上的速度矢量图。从图中可以看出，在双矩形口切向供风时，最大速度为17.14 m/s，出现在燃烧室中心附近。在发动机废气入口管轴线两侧形成了绕流，其中Y轴负向的绕流较大，离轴线较近，Y轴正向的回流区较小，离轴线较远。两个绕流区的最大回流速度为4.5 m/s。轴向旋流器供风时最大速度为16.89 m/s，在发动机废气入口管轴线附近Y轴负向上存在绕流区，最大绕流速度为4.68 m/s，在发动机废气入口管与燃烧室结合处也存在小绕流区。在绕流的作用下，发动机废气在废气入口管中心与可燃混合气的混合更加均匀。

2.3 两种供风形式对过滤体前端温度的影响

图7示出了两种供风形式下未进行喷油再生时过滤体前端的温度云图(发动机废气由发动机废气入口管从图示左侧供入)，两种情况下两条相邻等高线的温度差均为2 K。未进行喷油助燃再生时，矩形口切向供风时过滤体前端面的最低温度为429.5 K，最高温度为491.7 K，端面上整体温差为60 K。在正对废气入口且偏向Y轴正向处温度梯度较大，等高线较密处的平均温度梯度为8.945 K/cm。轴向旋流器供风时，最高温度为467.7 K，最低温度为417.0 K，端面上整体温差为50 K，等高线较密处的平均温度梯度为5.764 K/cm。由于两种供风形式下新鲜空气的旋流方向相同，旋转气流带动高温发动机废气旋转，因此，两种情况下过滤体端面上的整体温度分布情况几乎一致，但轴向旋流器供风时整个过滤体前端面上的温度分布相对较均匀。

2.4 两种供风形式对湍动能的影响

湍动能对于燃烧系统特别重要，它是混合过程的主要能源和驱动力[22]。图8示出了两种供风形式下的湍动能云图。由图可以看出，轴向旋流器供风时的整体湍动能较双矩形口供风的大，更能促进发动机废气与可燃混合气的混合。其中轴向旋流器供风时的最大湍动能为45.88 J/kg，是双矩形口切向供风时的两倍，两种供风形式下的最大湍动能都出现在油气混合室与发动机废气管入口交汇处，在该区域发动机废气与可燃混合气混合最均匀，热量交换最充分。两种供风形式下以发动机废气入口管为分界，燃烧室靠近油气混合室一侧的湍动能较大，在该区域发动机废气与可燃混合气混合更均匀。

3 结束语

两种供风形式均能在燃烧室中形成很好的旋流并在油气混合室和燃烧室中心附近形成一定的中心回流区，中心回流区气流均可回流到喷油嘴所在的位置。该回流有助于加强再生时的油气混合并提高火焰稳定性，回流到油气混合室端面附近的高温烟气可作为再生时的持续点火源点燃雾化燃油。轴向旋流器的中心回流区长度、最大回流速度、油气混合室部分的湍流强度等均大于双矩形口切向供风，更有利于油气的充分混合,同时轴向旋流器供风时过滤体前端面上的温度梯度分布更加合理。但具体在再生时的情况仍需进一步结合喷油助燃再生过程进行研究。

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[编辑： 姜晓博]

Flow Characteristic Analysis of Swirling Burner for Injection Combustion-supporting Regeneration of DPF

FU Jun1， LI Jianxing1, TANG Yuan1， KANG Wenjie1， ZHANG Zengfeng1， LI Yu2

(1. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China;2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China)

The distribution of flow field in the swirling burner for fuel-injected regeneration diesel particulate filter has important influence on the organization and mixing of airflow and the style of supplying air is one of the main influencing factors. In order to form the steady and continuous backflow in the burner to promote the mixing of fuel and air, the air supply forms of dual rectangle inlet pipe and straight-vane axial swirler were put forward, the corresponding system structures based on the same inlet section were designed, and the simulation of burner cold flow field was carried out under the conditions of the same engine exhaust and air supply. The results show that both air supply forms can form a central backflow zone which can return to the end of the fuel and air mixing chamber. Compared with the dual rectangle inlet pipe, the length of central backflow zone, the maximum backflow velocity and the length of reattachment region in sudden expansion position increases by 8.11%, 5.63% and 9.59% respectively. In addition, the turbulent energy of axial swirler is larger than that of dual rectangle inlet pipe. Accordingly, the axial swirler is more helpful to the proceeding of mixing process and organization of air flow.

diesel particulate filter (DPF)； swirl burner； regeneration； injection supporting combustion； flow field distribution

2016-04-13；

2016-06-13

国家自然科学基金项目(91541121)；湖南省研究生科研创新项目(CX2015B601)；邵阳学院研究生科研创新项目(CX2015SY025)

伏军(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向为小型风冷柴油机性能提高及汽车排放控制技术；hubeifujun@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.010

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0056-06