气体燃料缸外多点喷射发动机进气道内横向射流掺混研究

王天波 张兰春

摘    要：对于气体燃料缸外多点喷射发动机而言，气体燃料在进气道内的掺混效果直接影响着缸内掺混效果，进而影响发动机各项性能。通过建立发动机模拟进气道稳态掺混计算流体力学模型，研究不同阀门开启方向（流开型与流闭型）和不同流向涡激励机构（凸台、跨线、气柱）对进气道内横向射流掺混效果的影响。结果表明：流闭型开启方向有利于提高进气道内横向掺混均匀度;流向涡激励机构有利于改善喷射出口近区的掺混均匀度，但因其会引起气体燃料射流核心区缩短以及在进气道内的贯穿距离缩短，最终反而导致进气道内总体掺混均匀度变差。

关键词：气体燃料;缸外多点喷射;进气道;横向紊动射流;掺混效果

中图分类号：U464              文献标识码：A                  文章編号：2095-7394（2021）04-0048-08

2019年9月，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，提出“交通装备先进适用、完备可控”的要求[1]，这标志着以天然气发动机为代表的气体燃料发动机研发具有重大意义。与传统汽、柴油发动机相比，天然气发动机具有降低石油需求、减少二氧化碳以及有害尾气排放量等优势，目前在汽车（含轿车、城市公交、货车等）、船舶、分布式发电站等国民经济关键领域得到了广泛应用。

燃料供给系统对气体燃料发动机的各项性能有着至关重要的影响，该系统目前已经历了机械式燃料供给系统、电控机械式燃料供给系统[2]、电控气体燃料缸外喷射系统[3]和气体燃料缸内直喷系统[4-5]四个发展阶段。气体燃料缸内直喷系统是最为先进的燃气供给系统，但是，由于喷射装置处于高温高压的工作环境下，为确保工作稳定，需要对其关键部件做耐热处理，对加工精度要求极高;同时，高压喷射系统的结构过于复杂，对于加压装置、减压装置和稳压装置的可靠性难以保证，推广难度较大。因此，电控缸外喷射系统是目前应用最为广泛的气体燃料供给系统。

作者所在团队设计了一类应用动圈式电磁直线执行器和菌型阀的气体燃料电控喷射装置，研究了其稳态喷射特性[6]，并将其应用在大功率气体燃料缸外多点喷射发动机上，通过研究喷射结构、布置方案等因素对缸内掺混均匀度的影响规律，优化了缸内掺混效果[7]。结果表明：气体燃料与空气在进气道的混合过程，对气体燃料发动机缸内混合效果有着很大影响。对于缸外多点喷射发动机，高速射流以一定角度喷入进气道或进气歧管，与空气流相互作用，形成横向紊动射流现象[8-9]。所谓横向紊动射流是一种具有强三维特性的复杂流动问题，在射流、横流和壁面三者之间的相互作用下，流场中会同时存在卷吸、绕流、混合和分离这些重要的流动现象[10]。当流体从窄长的缝隙或孔口中以一定的角度喷出，并与环境中水平方向的流体相互作用时，就形成了横向紊动射流问题[11];而相对于横向紊动射流，同轴射流的混合只依靠流体间的剪切混合，掺混均匀度较低。因此，为了强化同轴射流的混合，一些先进的混合器应运而生，如：波瓣形混合器、齿冠状混合器以及凸台激励的强化混合技术。凸台是指安装在射流出口处有一定几何形状的机械激励机构，尽管其面积一般只占出口面积的极小比例，但强化同轴射流掺混效果的作用却较为明显。类似的方法还有在出口径向布置跨线、空气柱激励等[12]，此类流向涡激励机构，同样会对横向紊动掺混效果产生一定影响。

本文将从气体燃料电控喷射装置层面，通过计算流体力学（CFD）方法，分析其结构对缸外多点喷射发动机进气道内横向紊动掺混效果的影响;在执行机构开启方向层面，探究流开型、流闭型喷射装置结构的影响;在流向涡激励机构层面，探究凸台、径向跨线和气柱的流向涡激励形式的影响。

1    研究方案与CFD建模

1.1  不同阀门开启方向：流开型与流闭型

前期作者团队已经研究了不同阀门开启方向对喷射装置喷射特性的影响，研究结果表明：流闭型喷射装置喷射核心区速度更大，喷射效率更高[6-7]。本文在此基础上研究不同阀门开启方向对进气道内横向射流掺混效果的影响，流开型与流闭型喷射装置结构如图1所示。为突出阀门开启方向的影响，简化喷射装置内部结构，仅保留阀门开启方向不同的特征，阀门保持在最大升程1 mm位置，阀门直径均为8 mm。

结合气体燃料发动机的进气道截面尺寸[7]，将气体燃料引入长400 mm、宽43 mm、高74 mm的模拟进气道流场区域，并在模拟进气道两端设置固定压力差。模拟进气道进出口压差设定为0.02 MPa，气体燃料入口设定为压力入口边界，压力为0.7 Mpa。喷射装置布置在距离模拟进气道入口150 mm处，简化后的两种喷射装置及模拟进气道流域如图2所示。

喷射装置出口近区网格尺寸以及湍流模型设置，参照作者网格无关性与湍流模型验证结果[7]。喷射装置内部结构较不规则，选用0.8 mm的四面体网格，模拟进气道流动区域使用三棱柱结构化网格，网格尺寸最大为3 mm，在粗细网格之间使用过渡层网格，以便于实现计算快速收敛。湍流模型选用RNG k-ε双方程模型，壁面函数使用非平面壁面函数。压力速度耦合采用的是SIMPLE算法，欠松弛因子采用默认值，压力、能量、动量、密度、湍动能以及湍动能耗散率均采用一阶迎风格式离散。

1.2  不同流向涡激励机构：凸台、跨线、气柱

如图3所示，考虑到使用凸台、跨线、径向气柱等流向涡激励机构往往可以改善同轴射流的掺混效果，本文提出将凸台、跨线、气柱三种流向涡激励方案应用在气体燃料喷射装置出口，研究加强流向涡的方法对进气道内横向紊动掺混效果的影响。图（a）所示方案一，为圆管自由射流;图（b）所示方案二，在圆管出口径向上布置2个矩形凸台，宽W为2 mm，高H为1 mm，为保证相同的喷射流量，圆管直径D由7 mm增加到约7.35 mm;图（c）所示方案三，在圆管出口径向上布置一根跨线，跨线宽度为0.54 mm，跨线总面积与上述两个矩形凸台面积和相等;图（d）所示方案四，3个圆管出口的总面积与图（a）所示单个圆管面积相等，2个小圆管直径均为1 mm。考虑到流向涡激励机构安装在喷射装置出口位置，因而简化了具体的阀门结构，采用简单的圆管替代实际喷射装置。

鉴于在圆管出口附近添加凸台、跨线等方案存在局部尺寸较小的问题，在圆管内部采用0.3 mm的均匀尺寸六面体网格加密;而在远离出口位置逐渐使用尺寸较大的网格，径向（x方向）网格扩展因子为1.05，轴向（y方向）网格初始尺寸为0.3 mm，网格点数为120。模拟进气道尺寸、网格尺寸等其他设置不再赘述。

2    结果与分析

2.1   阀门开启方向的影响

流开型和流闭型喷射装置在进气道内的稳态横向掺混情况如图4所示。气体燃料射流因为受到空气流的推力向空气主流方向弯曲，然而，在流开型和流闭型两种条件下，横向射流中心线相差较大。流开型条件下，射流倾向于靠近进气道上壁面，虽然仍存在反旋涡对（CVP），但因为受到空气主流与进气道上壁面的双重挤压，反旋涡对变形较为严重;相反，流闭型条件下射流向空气主流内部贯穿距离较大，各截面上的质量分数云图呈现较为规则的CVP，反旋涡对逐渐向进气道下底面靠近。因此，可加以定性分析：在流开型喷射装置条件下，射流核心区短，速度慢，射流在空气主流中的贯穿距离较短，气体燃料集中在进气道上壁面，反旋涡对被压缩，掺混均匀度较差;在流闭型喷射装置条件下，气体燃料喷射速度较快，贯穿距离较长，因而掺混更为均匀。

再进一步定量地分析两种喷射条件下进气道内的掺混效果，计算模拟进气道各横截面上的气体燃料质量分数标准差。横截面位置如图4所示，计算结果如图5所示（z=0 m横截面位于喷射装置安装位置）。结果表明：定量分析结果与上述定性分析结果吻合，流闭型条件下横向射流的混合效果优于流开型。

2.2   流向涡激励机构的影响

计算以上四种方案下模拟进气道各横截面上的气体燃料质量分数标准差，结果如图6所示。结果表明：仅在喷射位置（z =0 m）附近，方案二、三、四的混合效果优于方案一（无流向涡激励），以方案四（气柱形式流向涡激励）的混合效果最佳;而随着气体燃料与空气沿进气道进一步掺混，方案一的混合效果得到显著改善，反而优于其他方案，最终在混合气流出进气道之前，方案四的混合效果最差，方案二次之，方案一最佳。原因分析如图7所示。

（1）喷射位置所在截面（z=0 m）上的混合效果。相对于规则圆形射流，在矩形凸台、径向跨线以及气柱形式的流向涡激励机构影响下，其产生的流向涡使气体燃料向进气道左右两侧延展，以气柱的影响最大;因此，在当前截面上混合效果最佳。

（2）z=0.08 m截面上的混合效果。方案二、三、四条件下CVP已经接触进气道两侧壁面，双肾形涡对被剪切，以方案四的涡破坏程度最大。对比各方案的反旋涡对纵向分布位置，方案一分布最靠近进气道底面，方案二、三更加靠近进气道上表面，而方案四最为靠近进气道上表面，这种情况必然会导致该截面上的混合效果恶劣。这实际是因为射流核心区被流向涡破坏，射流核心区变短，横向紊动射流的弯曲段越早来临，射流保持其自身流向的能力越差，从而更加容易被空气主流推向进气道上壁面。

（3）z=0.24 m截面上的混合效果。對于方案四，气体燃料几乎完全被主流推向进气道上壁面;因此，混合效果最差。

综上所述，采用凸台、跨线以及气柱等流向涡激励机构可以改善同轴射流的径向混合效果。凸台、跨线等一系列机械激励机构流向涡主要集中在射流出口周边，而气柱形式的激励机构可以让流向涡深入射流核心区;因此，缩短核心区长度的效果最佳。然而，对于横向紊动射流，射流核心区缩短会导致射流更容易被主流同一化，从而使气体燃料被推向壁面，致使掺混效果反而恶化。

3    结论

本文利用计算流体力学的方法，研究了不同阀门开启方向与不同喷射流向涡激励机构对气体燃料缸外多点喷射发动机进气道内掺混均匀度的影响，为未来进一步改善气体燃料发动机缸内掺混效果提供了参考。研究结论如下：

（1）因为流开型喷射装置喷射效率较低、喷射核心区长度较短，导致在进气道内的贯穿距离较小，掺混均匀度较低。而流闭型开启方向有利于改善进气道内横向掺混均匀度。

（2）流向涡激励机构可以改善喷射近区的掺混均匀度，这是因为流向涡激励机构迫使天然气射流靠近进气道左右两侧。

（3）在喷射装置出口安装流向涡激励机构不利于提高进气道内总体掺混均匀度;因为此时流向涡激励机构类似于流开型喷射装置，会导致射流核心区缩短以及在进气道内的贯穿距离缩短。

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責任编辑    盛    艳