高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧和传热特性研究

刘昌文，朱宸震，潘 洁，李 卫，卫海桥，潘家营

高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧和传热特性研究

刘昌文1，朱宸震1，潘 洁2，李 卫2，卫海桥1，潘家营1

(1. 天津大学先进内燃动力全国重点实验室，天津 300072；2. 潍柴动力股份有限公司，潍坊 261041)

高海拔下低温低压的极端工作环境容易导致发动机燃烧室出现严重的液相喷雾撞壁现象，造成附壁燃烧和池火，是引起活塞或燃烧室壁面烧蚀的重要原因之一．然而，目前关于高海拔环境下发动机喷雾撞壁、附壁燃烧及壁面传热的详细机理尚不完全清楚．本文基于定容燃烧弹模型结合多维数值模拟方法，开展了高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧及壁面传热特性研究．结果表明：缸内背景压力通过影响喷雾贯穿能力对喷雾液相撞壁起到主导作用，而背景温度则主要通过影响燃油蒸发速率对油膜演化起显著作用；附壁油膜的质量和蒸发速率对池火燃烧特性具有很大影响，高温高压条件下附壁油膜质量小、蒸发速率快，使得池火出现时间更早、峰值强度最大且持续时间最短；低温低压条件下油膜质量最大且蒸发速率最慢，使得池火出现时间更晚、峰值强度最小且燃烧持续时间最长；而高温低压和低温高压条件下池火的出现时间、峰值强度和持续时间则居于中间；此外，附壁油膜和近壁池火会显著增强定容弹流场对壁面传热的影响作用，附壁燃烧使得壁面长时间处于高热流密度和高温的状态，而油膜分布和蒸发速率的差异会导致池火区壁面热流密度和温度分布不均，且变化剧烈波动，由此引发的热疲劳可能是壁面烧蚀的重要原因．

定容弹；喷雾撞壁；油膜；池火；背景工况

高原是考验发动机性能的极端典型环境之一.高海拔低温低压大气状态会使喷雾贯穿距变得过长，导致发动机出现燃油撞壁．民用发动机常利用减小喷油量和优化进气系统等措施来缓解上述问题；然而，对于重型柴油机(尤其是特种动力)来说，通常需要采用较大的喷油量和较长的喷油脉宽来实现足够的功率与扭矩输出，这显著加剧了燃油撞壁现象[1-2].燃油撞壁后附壁油膜会发生燃烧，进而引发池火．有研究表明，上述现象与燃烧室壁面烧蚀密切相关[3].但是目前关于附壁燃烧和池火的研究较少，关于燃烧室烧蚀的详细机理尚不完全清楚．

缸内热力学状态是影响燃油喷雾撞壁和燃烧特性的重要因素之一．近年来，国内外学者围绕燃油喷雾撞壁和燃烧特性开展了大量研究．刘振明等[4]采用可视化技术研究了不同环境密度下燃油的喷雾特性，发现随着充量密度的降低，喷雾液相贯穿距明显增加，喷雾锥角减小；当充量密度低于13.5kg/m3时出现了液相撞壁现象．该研究重点考察了自由喷雾发展历程及其宏观特性，而没有详细考察喷雾撞壁之后的流体演化特性．Chen等[5]利用激光诱导荧光技术研究了喷雾撞壁对近壁面燃烧特性的影响，但没有对附壁油膜燃烧及池火开展进一步的分析．庞昌乐等[6]结合发动机试验和三维数值模拟分析了直喷汽油机喷雾、燃烧和碳烟生成，发现池火和浓混合气区分别是早喷、晚喷策略下碳烟生成的主要原因，但该研究没有对壁面传热特性进行深入探讨．

针对上述问题，本文基于定容燃烧弹模型结合多维数值模拟方法，研究了高海拔模拟环境下燃油喷雾撞壁(尤其是液相喷雾撞壁)、附壁燃烧以及壁面传热特性，进一步揭示高原特殊环境下附壁燃烧和池火对燃烧室烧蚀的影响机理．该研究对于高强化柴油机燃烧过程优化具有重要参考价值．

1 仿真模型及验证

1.1 物理模型和网格划分

图1为定容燃烧弹的网格划分策略．该模型模拟发动机活塞到达上止点时的状态，燃烧室简化为“圆饼状”结构．定容燃烧弹流体域轴向厚度20mm，径向直径70mm；单孔喷油孔位于侧壁，模拟实际发动机(缸径140mm)中心喷雾场景．单孔喷油嘴设置在轴向对称圆面上，与壁面距离3mm，油束朝着轴向对称面的直径方向．根据研究需要，在燃烧室特定位置布置多个监测点，监测点1在喷嘴轴线上，各监测点间隔45°．

为平衡模拟精度和计算成本，仿真模型的基础网格大小为4mm，对喷油嘴附近流域进行5层加密，对喷雾区域进行4层加密，仿真模型的最小网格为0.25mm，可满足发动机喷雾燃烧的需要[7-8]．另外，对流速与温度均进行3层网格自适应加密，以准确捕捉燃烧室内部流场变化．

图1 定容弹模型的网格划分策略

为了便于区分近壁池火与正常燃烧，笔者根据附壁油膜分布定义了池火区，规定附壁油膜发生燃烧的区域为池火区，并基于该区域的火焰面积来衡量池火强度．如图2所示，图中黄色表示火焰面，云图表示附壁油膜的分布．

图2 池火区的尺寸及位置

1.2 数值模拟方法

采用CONVERGE软件进行燃油喷雾、撞壁、燃烧和传热研究，该软件包含多种湍流、喷雾以及燃烧模型．模拟时采用基于雷诺平均的RANS-模型模拟湍流运动．采用NTC模型[9]、Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor模型[10-11]和Bai-Gosman模型[12]分别模拟喷雾液滴碰撞、破碎和喷雾撞壁过程．燃烧模型为SAGE模型，采用的柴油骨架化学反应机理包括42种组分和168步反应，该机理已通过试验得到广泛验证[13]．

1.3 工况参数

为便于对比分析，模拟时定容弹内初始背景压力为2.64MPa和3.72MPa，分别对应海拔高度4500m和0m的工况[14-15]，相应的背景温度为850K和950K，该工况条件在前期研究中也普遍使用[1,14]．如表1所示，所用喷油器喷孔直径为0.32mm，喷油脉宽为1.5ms，喷油压力为80MPa，对应的喷油量为30.96mg．为便于讨论分析，将背景温度850K和950K定义为低温和高温工况，将2.64MPa和3.72MPa定义为低压和高压工况．池火持续时间定义为池火从产生到消失的时间．

表1 模拟工况参数

Tab.1 Operating conditions for the simulation

1.4 模型验证

喷雾贯穿距是影响模拟结果的重要参数[16]．为了保证喷雾燃烧模拟的准确性，结合喷雾试验数据[17]，对气相和液相贯穿距进行标定．标定工况背景压力4.0MPa，背景温度850K．如图3所示，模拟结果和试验数据吻合良好，说明该模型能够准确模拟燃油喷雾现象．但受限于研究手段和方法，本研究没有对附壁油膜特性(如油膜厚度)及其发展进行标定．尽管如此，该研究仍然对喷雾撞壁及附壁燃烧的预测具有重要借鉴意义．

图3 液相和气相贯穿距模拟和试验的结果对比

2 模拟结果与分析

2.1 柴油喷雾撞壁特性

图4为不同工况下液相贯穿距随时间的变化. 可以看到，由于喷油量较大，各工况均在0.45ms前出现燃油撞壁现象．在喷雾自由发展阶段，当温度一定时，高背景压力下喷雾在向前贯穿过程中受到较大的空气阻力导致贯穿速度降低，其液相贯穿距始终小于低背景压力的情况，这意味着较高背景压力下喷雾撞击壁面时的速度更小．然而，相同背景压力下高背景温度的贯穿距总大于低背景温度的情况，说明高温环境下喷雾撞击壁面的速度大于低温环境．主要原因是相同压力下温度越高，空气密度越小，喷雾贯穿阻力越小，从而贯穿速度越大．

图4 不同工况下液相贯穿距随时间的变化

图5为附壁油膜质量随时间的变化．如图所示，在1.8ms之前，液相喷雾不断撞击壁面导致附壁油膜的累积质量快速增大，且各个工况差距不断变大；在1.8ms后，液相油束全部完成撞壁过程，各工况附壁油膜的累积质量变化不再明显．同时发现，背景压力和背景温度的提升都会导致附壁油膜质量减少．当背景压力增加时，较大充量密度促进了喷雾和空气的混合，在一定程度上减少了附壁油膜质量．相同背景温度下(如950K)，当背景压力从2.64MPa提高至3.72MPa时，附壁油膜质量减少0.17mg；相同背景压力下(如2.64MPa)，当背景温度从850K提高至950K时，附壁油膜质量减少超过1mg，主要是温度升高加快了喷射过程中燃油蒸发，使得附壁燃油量大幅度减少．上述附壁油膜质量变化规律与图4研究结论一致．

图6为壁面油膜铺展面积随着时间的变化．与油膜的质量变化类似，在1.75ms之前喷雾的撞击壁面推动油膜快速地向四周铺展，油膜面积迅速增大．这种推动作用在1.75ms之后减弱，而油膜在铺展的过程中不断地蒸发，铺展面积开始略有减小．油膜的铺展面积随着背景压力或者温度的升高而缩小．油膜铺展面积最大差值超过1.5cm2．如前文所述，当背景压力较低时，燃油撞壁速度较大，油膜会以更快的速度在壁面铺展，铺展范围更大；当背景温度较低时，附壁油膜质量大且蒸发速度缓慢，这有利于油膜向外铺展．

图5 不同工况下附壁油膜质量随时间的变化

图6 不同工况下油膜铺展面积随时间的变化

2.2 池火区燃烧特性

图7为池火区内火焰面积随时间的变化情况．为便于分析，将温度为2000K的黄色等值面视为火焰面，云图记录附壁油膜的变化．如图7所示，高温高压工况下池火区最早出现火焰，且火焰面积峰值最大，达到43.61cm2．高温低压和低温高压两种工况下火焰面积峰值相当，差距小于1cm2且时间相位相差小于0.3ms．但由于缸内热力学状态的差异，高温低压工况下油膜蒸发速率更快，使得3.28～24.60ms期间内的火焰面积大于低温高压工况．主要原因是附壁油膜蒸发混合与缸内热力学状态密切相关. 低温低压条件下油膜质量大、蒸发速度慢、池火持续时间更长．这说明池火强度和附壁油膜质量与蒸发速率密切相关．

图7 不同工况下池火区火焰面积随时间的变化

图8进一步给出了不同工况下燃烧早期池火演变的三维图像．如图所示，受高温高压热力学状态影响，部分燃油在喷射过程中发生自燃，在油束周围形成火焰并向周围传播．1.29ms时油膜被火焰引燃而形成池火．随后两处火焰互相融合．高温低压工况和低温高压工况的火焰发展模式大致相同．对于缸内混合气而言，在经历一段滞燃时间后发生自着火和燃烧，此时着火位置远离油膜；对于近壁油膜而言，其蒸汽与空气形成可燃混合气后形成池火．对于低温低压工况，由于热力学状态差而导致出现长时间的失火现象．这说明池火的产生和发展与混合气着火和油膜蒸发速度密切相关．

图8 不同工况下燃烧早期池火的演变规律

图9为不同工况下池火燃烧的持续时间变化.如图9所示，高温高压工况下池火持续的时间最短，约16.81ms；而低温高压工况持续时间最长，约33.70ms．为了量化池火持续时间的差异，图10和图11分别给出了各工况附壁油膜的质量变化和燃烧后期池火演变规律．如图所示，在高温高压工况下着火后火焰长时间在油膜区停留，油膜在高温火焰的作用下迅速蒸发混合，池火持续时间最短．而低温高压工 况下，附壁油膜质量较大且油膜蒸发速度较慢，池 火持续时间较长．高温低压工况的油膜质量、蒸发 速度和池火持续时间位于上述两种工况之间．这说明池火持续时间与附壁油膜的质量和蒸发速率密切相关．

图9 不同工况下池火的持续时间

图10 不同工况下附壁油膜质量随时间的变化

图11 不同工况下燃烧后期池火的演变规律

2.3 壁面传热特性

为进一步量化附壁燃烧对壁面传热的影响，选取背景压力2.64MPa、温度950K工况进行研究．这里将温度2000K的黄色等值面视为火焰面，采用云图记录了壁面热流密度和壁面温度的分布．图12为定容弹壁面3个位置处壁面热流密度随时间的变化.其中监测点1处在池火区域，燃油的撞击令该处的壁面热流密度在1.0ms之前就出现明显的上升[18]. 不同位置处壁面热流密度变化差异显著，监测点2和监测点3处的壁面热流密度先快速增大然后波动下降，而位置1处存在着油膜铺展、蒸发以及燃烧等多种复杂物理过程，壁面热流密度变化波动剧烈，其峰值接近10MW/m2，超过其他两个位置1个数量级．

图12 不同位置壁面热流密度随时间的变化

图13进一步展示了壁面热流密度和火焰分布的关系．如图所示，与火焰未附壁情况相比，高温火焰能够对附壁区的流场进行强烈的气流瞬态冲击，导致与火焰接触的壁面热流密度迅速增大．同时，与火焰直接接触的壁面热流密度分布也呈现出不同特点.非池火区的壁面热流密度整体较高，并且分布相对均匀；而池火区的壁面热流密度分布极不均匀，出现了部分热流密度极大的区域．这可能和油膜的分布差异有关．池火区的油膜受热蒸发，其相变传热的对流换热系数远大于无相变的工况，降低了缸内流场对近壁面对流传热的热阻，因此部分区域热流密度过大，从而导致壁面的热负荷加大，增大了壁面损坏的可能性．另外，油膜在壁面处的分布以及蒸发速度不均匀，这导致了壁面热流密度分布不均匀，从而进一步降低了壁面强度．

图13 壁面热流密度分布和火焰分布的关系

图14给出了壁面温度分布与火焰分布的关系. 如图所示，未与火焰接触的壁面的温度明显小于火焰附着的壁面，这与壁面热流密度分布相似，而非池火区的壁面温度整体较高，且分布相对均匀．需要注意的是，池火区的壁面温度梯度很大，分布很不均匀，这会导致池火区壁面产生较大的热应力，从而降低壁面的疲劳强度．另外，该区域壁面的局部最大温度超过1700K，已经超过了304号不锈钢材料的熔点(1673K)，远高于发动机活塞正常工作温度，极易导致壁面因温度过高而熔融．

图14 壁面温度分布与火焰分布的关系

3 结 论

(1) 背景温度和压力对燃油喷雾撞壁和附壁特性产生不同的影响．背景压力通过影响充量密度来影响油束贯穿能力，对喷雾撞壁过程起主导作用；背景温度主要通过影响燃油蒸发混合来改变油膜演化，对附壁油膜质量和铺展面积起主导作用．

(2) 池火的燃烧特性受油膜质量和蒸发速率的影响．高温高压环境下油膜质量小、蒸发速率快，池火峰值强度最大但持续时间最短．高温低压和低温高压工况下峰值强度相当，但油膜蒸发速率慢使后者池火持续时间更长．低温低压环境油膜蒸发过慢，经历较长时间后才产生池火．

(3) 池火对壁面热流密度和温度分布影响很大．池火使壁面长时间处于高热流密度和高温状态，油膜分布和蒸发不均匀导致近壁面热流密度和温度分布不均，变化波动大．近壁面高温和大温度梯度引起的热疲劳可能是导致燃烧室烧蚀的重要原因．

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An Investigation on Combustion and Heat Transfer Characteristics of Spray Wall Impingement Under High-Altitude Simulation Conditions

Liu Changwen1，Zhu Chenzhen1，Pan Jie2，Li Wei2，Wei Haiqiao1，Pan Jiaying1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261041，China)

The extreme operating conditions of low temperature and low pressure at high altitudes can easily trigger a serious spray wall impingement in an engine combustion chamber，causing wall-attached combustion and pool fires，which are some of the important causes of ablation damage to the piston and combustion chamber wall. However，the mechanism of spray wall impingement，wall-attached combustion，and wall heat transfer at high altitudes is not completely understood. In this study，the characteristics of spray wall impingement，wall-attached combustion，and wall heat transfer under high-altitude simulation conditions were investigated based on a constant-volume bomb combined with the multidimensional numerical simulation method. The results indicated that background pressure plays a dominant role in liquid spray wall impingement by affecting the spray penetration ability，and background temperature plays a significant role in the evolution of fuel film by affecting fuel evaporation. The mass and evaporation rate of the fuel film considerably affect the combustion characteristics of the pool fire. The mass of the fuel film is small，and the evaporation rate of the fuel film is increased under high temperature and high pressure，resulting in pool fires with early appearance time，highest peak intensity，and shortest duration. The mass of the fuel film is the largest and the evaporation rate of the fuel film is the slowest under low temperature and low pressure conditions，which makes the pool fire appear late，with the smallest peak intensity and the longest duration. The appearance time，peak intensity，and combustion duration of pool fires at high temperature and low pressure and at low temperature and high pressure are between those under the two conditions aforementioned. Moreover，the fuel film and pool fire significantly enhance the heat transfer from the flow field to the wall in the constant-volume bomb. The flame on the wall keeps the wall surface in a state of high heat flux density and high temperature for a long duration. The heat flux density and temperature distribution of the wall surface in the pool fire zone are uneven and change drastically because of the difference in fuel film distribution and evaporation rate，and the resulting thermal fatigue may be an important cause of wall ablation.

constant-volume bomb；spray wall impingement；fuel film；pool fire；background conditions

the National Natural Science Foundation of China(No. 52076149).

10.11784/tdxbz202208031

TK401

A

0493-2137(2023)12-1288-07

2022-08-24；

2022-11-01.

刘昌文（1963—  ），男，博士，教授，liuchangwen@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

潘家营，jypan@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(52076149).

(责任编辑：金顺爱)