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DPF燃油助燃再生燃烧器结构的数值模拟与优化

DPF燃油助燃再生燃烧器结构的数值模拟与优化
    搞要:为提高柴油机颗粒过滤器( diesel particulate filter,DPF)燃油助燃再生燃烧器燃烧效率和出口温度可控性,结合流动和传热的基本原理,对燃烧器基本结构进行了设计。通过建立数学模型对不同燃烧室长度、缩口直径的燃烧器展开模拟研究,对燃烧器结构进行优化。研究结果表明:当燃烧室长度为57 mm时,燃烧器的温度分布、压力分布更好,燃烧效率更高;缩口直径为110 mm时,燃烧器的综合性能更有利于DPF的再生。
0  概述
    柴油机颗粒过滤器( diesel particulate filter,DPF)是国际公认的去除颗粒物最有效的方式。国肉外对再生方法已经进行了广泛的研究,主要包括催化再生、加热再生、助燃再生等。由于我国柴油含硫量较高,应用国外广泛使用的连续再生捕捉器系统容易出现DPF“中毒”现象。加热再生方式对发动机载用电源要求非常高,也存在加热不均匀等问题。法国雪铁龙公司研究的缸内后喷方式会将部分柴油带入机油中,稀释机油,从而影响发动机使用寿命。
    采用燃油助燃再生DPF的方式具有耐硫性能强、再生效率高、技术适应强等特点口]。但是,目前燃烧器存在燃烧效率不稳定、出口温度不均匀等问题,这些问题直接影响DPF后处理系统的整体性能,因此深入研究燃烧器具有重要意义。本文中结合流动和传热的基本原理,对燃烧器基本结构进行优化,并建立了数学模型对不同燃烧室长度、缩口直径的燃烧器进行模拟研究及结构优化。
1  燃烧器的结构设计与工作过程
1 1  燃烧器的结构设计
    传统的燃烧器分为喷射式和蒸发式,喷雾式燃烧器采用高压油泵经喷嘴将燃油喷入燃烧室,雾化后的细小液滴通过蒸发扩散参与燃烧。虽然喷雾式燃烧器中燃烧室释放的热功率较高,但是喷孑L过细,当其接触排气后,容易造成堵塞,导致燃烧效率降低。蒸发式燃烧器是采用低压电磁泵将燃油输送到燃烧室顶部的燃油吸附网上,燃油受热之后迅速挥发并与燃烧室中的空气混合燃烧,蒸发不好时易产生HC泄漏、燃油量调节响应较慢、温度不易控制等问题。为解决这些技术缺陷,设计出一种预混式旋流燃烧器,基本结构如图1所示。
    该燃烧器主要由空气进气室、燃烧室和中央排气管3个腔室组成。其中,燃烧室处于空气进气室和中央排气管之间,燃烧室前端由空气进气室封闭,燃烧室后端敞开同中央排气管一起与DPF相通。
1 2  燃烧器的工作过程
    当柴油由进油管进入燃烧器后,通过电加热使燃油在燃烧室内被点燃,完成点火过程。同时,加热装置为蒸发腔的工作提供热量,随着蒸发腔的温度升高,进入蒸发腔的燃油产生燃油蒸气,为保证燃油蒸气与窒气的充分混合,蒸发腔的出油口沿圆周方向均布,并加强进气旋流,在旋流空气带动下,迅速形成比较均匀的混合气。燃油蒸气在混合腔与空气混合,为了防止柴油混合气自燃,混合腔的出气口与蒸气出油口位置布置很近,通过1级进气口进入燃烧室,直接参与燃烧,并提供蒸发腔蒸发燃油所需的热量;然后,通过2级、3级进气口进气,为燃烧室内的充分燃烧补充空气,实现自蒸发预混燃烧。在燃烧室出口处设置一个向内的凸起,其目的主要是加强燃烧室内涡流,提高柴油的燃烧效率‘2I。燃烧器的燃烧效果主要取决于燃烧室的结构,其主要参数是长度和直径。下面将对燃烧器的燃烧室长度及缩口直径进行优化分析。
2  模型的建立与边界条件的设置
2 1  模型的建立
2.1.1  物理模型的建立
    首先利用Solidworks软件建立燃烧器几何模型,然后导入Gambit软件进行处理,设定计算域,并进行网格划分,使之适应Fluent模拟需要。燃烧器主要结构参数见表1。整体结构如图2所示。
    表1  燃烧器主要结构参数
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┃    项目              ┃参数    ┃
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┃空气入口直径,/mm      ┃    18  ┃
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┃燃油入口直径Imm       ┃    5   ┃
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┃混合气喷口直径/mm    ┃    5   ┃
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┃中央排气管直径/mm    ┃    88  ┃
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┃燃烧室长度/mm        ┃    47  ┃
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┃燃烧室缩口直径/mm    ┃  130   ┃
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┃  燃烧器外壁直径/mm  ┃  170   ┃
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┃  泥合腔长度/n、m    ┃    20  ┃
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┃主进气口数量          ┃    3   ┃
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┃主进气口直径Imm       ┃    10  ┃
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┃ 1级配风口数量        ┃    2   ┃
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┃ 1级配风口直径/nlnl  ┃    10  ┃
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┃ 2级配风口数量        ┃    2   ┃
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┃ 2级配风口直径/m ni  ┃    10  ┃
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┃ 3级配风口数量        ┃    3   ┃
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┃ 3级配风口直径/nln1  ┃    10  ┃
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2.1.2  数学模型的建立
    首先选择湍流模型。Fluent中的标准h模型具有适用范围广、计算精度高、能够模拟强湍流作用等特点,已经成为工程流场计算中主要工具。本文中选用标准h模型口。
    然后选择燃烧模型。Fluent软件中目前常用的燃烧模型为有限速率模型、预混燃烧模型、非预混燃烧模型、部分预混燃烧模型和PDF( probability den-sity function)燃烧模型。PDF模型对于湍流扩散火焰的模拟和类似反应过程的模拟有相当高的精度,同时PDF模型的计算量也较大。燃烧器中的火焰发展属于湍流火焰,为保持较高的计算精度,本文中选取PDF模型作为燃烧模型。
2 2  模型的试验验证
    通过验证燃烧器出口截面温度场来验证模型的合理性,试验工况为空气流量为16.1 kg/h,燃油流量为0.7 kg/h。
    表2为燃烧器模型的试验验证。由表2可见,在不同的测量位置上,燃烧器试验值比模拟值高约10~30℃,两者误差小于5%,原因是模型的简化导致其与燃烧器实际结构有所差别。总体而言,所建立的燃烧器模型是合理的,可以用来进行数值模拟与优化。
2 3  边界条件的设置
    边界条件的设定包括边界类型的设定和边界参数的设置。对燃烧器的边界条件设置如下:空气的入口( airinlet)边界类型设定为速度入口(velocity-inlet),燃油入口(fuel-inlet)的边界类型设定为质量沆量入口(mass-flovrinlet),出口边界类型设为压力出口(pressure-outlet)。燃烧器模型主要边界参数的设置见表3。
表2燃烧器模型的试验验证
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┃位置点  ┃模拟值/℃  ┃试验值/℃  ┃误差/%       ┃
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┃  l     ┃    605     ┃    613     ┃  1. 305 057  ┃
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┃    2   ┃    630     ┃    645     ┃  2. 325j81   ┃
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┃    3   ┃    648     ┃    679     ┃ 4. 565 538   ┃
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┃    4   ┃    639     ┃    656     ┃  2.591463    ┃
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┃    5   ┃    636     ┃    645     ┃  1. 395 349  ┃
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表3  主要边界条件的设置
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┃    项目              ┃  参数      ┃
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┃空气入口当量直径/mm  ┃    18      ┃
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┃空气湍流度/%         ┃    b       ┃
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┃燃油入口当量直径/mm  ┃    14.1    ┃
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┃燃油湍流度/%         ┃    5       ┃
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┃多}L介质惯性阻力/m_1 ┃ 5.O×101/ ┃
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┃多}L介质孔隙率        ┃    0.5     ┃
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┃辐射发射率            ┃    0.5     ┃
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┃外界辐射温度/K       ┃    300     ┃
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┃粗糙度常数            ┃    0.5     ┃
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┃多孔介质黏性阻力/m— ┃1.1×lOi2   ┃
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3  燃烧器结构的优化
3 1  燃烧室长度的优化
3.2.1  燃烧室长度的数值模拟对比
    为了更好地结合DPF再生需要来评价燃烧器的优劣,燃烧器与DPF中间有连接法兰,二者之间有一段大约40 mm的距离,故选取距离燃烧器出口40 mm横截面作为DPF的入口截面。以燃烧器出口方向为轴向方向,垂直出口方向为径向方向。首先针对不同的燃烧室长度进行数值模拟研究,分析DPF处入口的流速、温度、压力及组分等再生重要参数。具体结构参数见表4。
表4  燃烧室数值模拟的3种结构
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┃结构  ┃燃烧室长度  ┃缩口直径  ┃空气进气量  ┃  燃油量  ┃
┃序号  ┃    /mm     ┃  /+0"n1 ┃/(kg.h-i)  ┃/(kg.h-i) ┃
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┃  l   ┃    47      ┃    130   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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┃    2 ┃    57      ┃    130   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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┃    3 ┃    67      ┃    130   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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    囹4为3种结构下距燃烧器出口40 mm处轴向速度分布。由图4可见,轴向速度在圆心处较低,主要是受中央排气管的制约作用影响;在0. 3R附近出现了轴向速度的极小值,主要是受缩口外气流的减速作用影响;轴向速度最大值出现在约0. 7R处,这内燃机工程对于促进流动和提高温度具有积极的作用u一;结构与结构的速率变化非常接近。随着燃烧室长度的增加,更多的气体从3级外侧进气口进入燃烧室内部,旋流更加强烈。随着燃烧室长度的进一步增大,反应空间的增大,旋流区面积不再增加,因此燃烧室出口的轴向速率趋于一致。
    图5为3种结构下距燃烧器出口40 mm处的温度分布。由图5可见,随着燃烧室长度的增加,高温区域面积有所增大并向后延伸,说明燃料燃烧的区域增大,随着预混腔内燃烧的燃烧量减少,提高了燃料在燃烧室内燃烧的比例,燃烧更加充分,但燃料燃烧区域的增大并向后延伸,又会增加燃烧室出口到DPF入口之间的沿程散热和辐射损失,使得出口温度下降,因此结构3的出口温度比结构2的出口温度低。
3种结构下距燃烧器出口40 mm处X正方向半径上的压力、氧气和二氧化碳的分布。可以看出,流动的充分发展使得压力分布比较均匀,氧气含墨沿径向往外逐渐升高,二氧化碳含量沿径向往外逐渐降低,分布规律与氧气分布对应得较好,说明此时流动已经比较均匀稳定。其中,结构1的压力最高,原因是气流的流速较高,造成出口压力较大。由前述分析可知,结构1由于燃烧室空间的狭小使得燃烧不充分,剩余氧气较多,产生二氧化碳较低;而结构2和结构3的燃烧相对充分完全,两者差异不大,说明燃烧流动不再随着燃烧室长度增加而发生明显变化。
3.1.2  燃烧室长度的优化选择
    根据燃烧器结构优化的原则,对3种结构下燃烧器各变量值进行评估,评估目的是反映燃烧室长度对DPF再生相关变量的影响‘朝。为了能够同时进行定性及定量评估,将根据每个变量对再生的利弊将评估结果由好到差分为4个等级,再根据各变量的值是否有利于DPF再生进行评估。评估结果见表5。
    从表5可以看出,每种结构下的不同变量对DPF再生的影响不同,其中结构2综合评估值最高,因此认为该燃烧器结构最有利于DPF再生,即选定57 mm作为燃烧器的最佳燃烧室长度。
表5  燃烧室3种长度的综合评估
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┃结构  ┃温度  ┃轴向速度  ┃氧含量  ┃压力  ┃燃烧充分程度  ┃
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┃  l   ┃      ┃    +     ┃  +     ┃      ┃              ┃
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┃    2 ┃    + ┃          ┃        ┃    + ┃    +         ┃
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┃    3 ┃      ┃          ┃        ┃    + ┃    +         ┃
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3 2  燃烧器缩口直径的优化
3.2.1  缩口直径的数值模拟对比
    燃烧室缩口直径决定了燃烧室内气体的燃烧和流动,对于火焰的稳定和发展具有直接的影响,因此开展不同缩口直径下的燃烧器工作稳态研究具有重要意义。在确定最佳燃烧室长度为57 mm的基础上,将继续针对缩口直径进行如表6所示3种结构的燃烧器的模拟研究。
表6燃烧室缩口直径数值模拟的3种结构
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┃      ┃燃烧室长度  ┃缩口直径  ┃空气进气量  ┃燃油量    ┃
┃结构  ┃            ┃          ┃            ┃          ┃
┃      ┃  ,,mm    ┃  /mm    ┃/( kg.h-i) ┃/(kg.h-i) ┃
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┃    2 ┃    57      ┃    130   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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┃    4 ┃    57      ┃    120   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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┃      ┃    57      ┃    110   ┃    16.1    ┃    0.7   ┃
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    图9~图12分别为3种结构下距燃烧器出口40 mm处X正方向半径上各变量的分布。由图9可见,结构3的轴向速度最高,最大值达到1 m/s,出现在0. 75R处;随着缩口直径减小,流通面积减小,缩口处的轴向速度增加,结构2和结构4差别很小。由图10可见,结构5的温度最高,高达970 K,原因是缩口缩小,1、2级进气量减步,造成混合气浓度增加,同时旋流加强,使得燃烧室内的燃烧更加剧烈,提高了燃烧室内温度,其中结构2和结构4温度接近,最大值为930 K。由图11和图12可见,结构2的O:质量分数的径向分布最均匀,而结构4相比结构2有所降低,结构5均匀性最差。这是因为缩口处的气流速度过大,燃烧器扩口区流动强度增强,导致在燃烧器出口外40 mm处气流尚未充分发展均匀;C02质量分数的径向分布基本与氧气分布相对应,反映的是燃油燃烧充分程度。
    3种结构中气压分布都是均匀的,如图13所示。由图13可见,结构2到结构5的压力逐渐升高,最大压力为2. 01 kPa。这是因为缩口直径的缩小使得燃烧室内的流动加剧,造成出口压力较大。
3.2.2缩口直径的选择优化
    根据燃烧器优化选择的原则,对3种缩口直径的燃烧器各变量进行评估,评估结果见表7。

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