基于Fluent的天然气燃烧特性研究
摘要：通过控制变量设计试验方案，研究定容燃烧弹内的预混燃烧特性以及火花塞数量和布置方式对天然气预混火焰传播性质的影响。利用Fluent软件对各方案进行数值模拟计算，计算结果表明，天然气预混燃烧速率比汽油小，采用双火花塞布置可有效提高燃烧速率，缓解天然气发动机动力性不足，为天然气速燃技术的进一步研究提供理论基础。
关键词：天然气；双火花塞；定容燃烧弹；Fluent
中图分类号：TQ153.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）03-0012-03
Study of Combustion Characteristics of Natural Gas Based on Fluent
WANG Kai-nan，HOU Xian-jun，YAN Shao-jie，YU Qi-wang，XU Nan-nan
（School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）
Abstract: This article introduces design schemes for the research on the premixed combustion in the constant volume bomb and influences on flame propagation of natural gas due to the layout of spark plug.With the CFD simulation calculation based on Fluent，it seems that the burning rate of gasoline is faster than natural gas，and dual spark plugs can make fast combustion of natural gas，which can provide a theoretical method to solve the bad performance of power for CNG engines.
Key Words: natural gas；dual spark plugs；constant volume bomb；Fluent
天然气作为清洁燃料，相比汽油、柴油等传统燃料，具有经济性好、排放性能优越等特点，在内燃机领域已得到广泛应用。但天然气着火温度高，燃烧期长，相同当量比层流火焰传播速率比汽油混合气要低12％左右［１］，这是造成天然气发动机动力性不足的主要原因之一。采用双火花塞可提高点火能量，增大初始火焰锋面面积，有效提高燃烧速率，缓解天然气发动机动力性不足的问题。
为避免实际复杂工作过程及循环变动对燃烧的影响，内燃机的燃烧研究主要在定容燃烧弹中进行，定容燃烧弹可研究活塞上止点附近时的燃烧［2］。本文设计仿真计算方案对预混火焰传播及双火花塞布置方式进行研究，利用CFD软件Fluent对定容燃烧弹中燃烧过程进行数值仿真，并对计算结果进行分析，验证双火花塞的速燃特性。
1 方案设计与计算预处理
笔者根据试验需求设计了5种方案，以比较不同条件下燃料的燃烧特性，如表1所示。其中方案1与方案2均采用单火花点火方式，用以比较天然气和汽油混合气的火焰传播特性，方案1与方案3则分别采用单火花塞和双火花塞布置，比较单双火花塞对于火焰传播和燃烧速率的影响，方案3、方案4和方案5以火花塞间距作为控制变量，研究双火花塞的布置对于燃烧过程的影响。
为缩减计算量，笔者构造100 mm×100 mm的二维流体区域模拟定容燃烧弹，火花塞均采用中心区域对称布置，根据设计方案设置直径d=1 mm的圆形流体区域作为初始火花范围，并对计算区域进行网格划分，如图1所示。
2 数学模型与计算方法
本文对燃烧的瞬态发展过程进行数值模拟，假定燃料与空气已充分混合，采用预混燃烧模型。该模型利用火焰锋面将反应的流场分为已燃区和未燃区，通过求解反应进度（progress variable）控制方程确定流场中反应量的分布规律，控制方程的源项即为燃烧过程的平均反应速率，Fluent软件计算过程中将该反应速率与火焰的湍流燃烧速率相关联。因此，正确的预测湍流燃烧速率对于预混燃烧模型十分重要［3］。
在火焰锋面传播的过程中，大涡团会引起火焰锋面的皱折和拉伸，并将反应物卷入火焰锋面，反应物在湍流尺度区域内以层流方式进行燃烧［4］，因此湍流燃烧速率的大小主要取决于层流燃烧速率、火焰的拉伸效应等因素。层流火焰燃烧速率、反应初始的压力与温度有关，可用指数方程拟合式表示［5］，即：
式中，Tu和Pu分别为未燃反应物的温度与压力，Tu，ref和Pu，ref则分别为标准状态下的温度和压力；式中标准状态下的层流燃烧速率Ul，ref可由相关实验拟合公式得到［6］，而指数参数项γ、β可与混合气当量比Φ建立关系式：
对于火焰的拉伸效应，Fluent软件在计算过程中通过对反应进度控制方程的源项进行增益处理来表征，并引入临界应力变化速率，用以计算拉伸增益系数。根据文献[3]提供的经验公式，本次仿真计算中燃烧天然气时临界应力变化速率gcr取8 289，燃烧汽油时的临界应力变化速率gcr取10 398。
计算过程中湍流模型选用标准k-ε模型；对于温度的求解采用非绝热方式，以恒定壁温作为边界条件，通过求解流场能量控制方程计算得到温度分布。选用理想气体定律计算燃烧气体性质，并通过调整燃料质量分数将混合气当量比设为1。
本文选用PISO算法作为压力速度耦合方法求解有限差分方程，控制方程离散格式采用二阶迎风格式，以提高计算精度。初始条件可采用发动机仿真软件GT-power对某发动机压缩上止点处各项参数的计算结果［6］，使用patch对初始条件进行修正，将点火区域内的反应进度c设为1，表征计算初始该区已处于反应状态，从而模拟火花塞的工作。
3 计算结果分析
3.1 不同燃料燃烧特性的比较
图2给出了方案1和方案2计算得出的定容燃烧弹内混合气反应进度随时间变化数值分布规律。从图中可以看出，定容燃烧弹中的混合气火焰从初始时刻开始由点火区域以球面方式向外传播，由等值区域分布的疏密程度可知火焰锋面的大致位置，从而可判断火焰的传播。计算结果表明，汽油混合气的火焰传播速率比天然气混合气火焰传播速率快。
3.2 单双火花点火对平均燃烧速率的影响
将方案1、方案2和方案3计算得到的每个时刻定容燃烧弹内流场反应进度数值分布及压力场分布分别在计算区域内取平均值，并分别绘制随时间的变化规律曲线，如图3和图4所示。
由图3可以看出，燃烧开始初期，定容燃烧弹内方案2的反应进度增长率高于方案1反应进度增长率，这主要是因为汽油混合气火焰传播速率快于天然气混合气；提高燃烧反应速率可使单位时间反应产生的热量增大，在定容条件下提高压力升高比，如图4所示。改用双火花塞后，由于燃烧初始阶段火焰锋面面积有所增大，混合气的燃烧反应区域增大，使得定容燃烧弹内天然气混合气总体燃烧速率在一定程度得到提高，导致压力升高率增大。因此，采用双火花塞布置可在一定程度上缓解天然气混合气燃烧速率较小所引起的发动机动力性不足。
3.3 双火花塞布置方式对火焰传播的影响
方案3、方案4和方案5计算得出的定容燃烧弹内混合气反应进程随时间变化分布规律如图5所示。对比三种方案中反应进程的分布规律可分析火焰传播过程，初始时刻由不同位置点火区域产生的火焰锋面随时间不断向外推移，已燃区体积逐渐扩大并相互作用，当两个火焰锋面相碰时，已燃区会相互融合。当点火区域相距较远时，已燃区融合所需时间较长，如方案5所示，而当点火区域相距较近时，已燃区随着燃烧的进行迅速融合，如方案3所示。
4 结论
（1）通过控制变量设计仿真计算方案，研究定容燃烧弹内的不同燃料与空气的预混燃烧特性，采用CFD软件Fluent对设计的各方案进行数值模拟计算，通过流场区域内反应进度的数值分布判断火焰的传播，分析双火花点火和火花塞布置方式对天然气预混火焰传播性质的影响。
（2）模拟计算结果表明，天然气预混燃烧速率比汽油小，在燃烧室内合理布置双火花塞可增大初始火焰锋面面积，有效提高燃烧速率，增大压力升高率，在一定程度上缓解天然气混合气燃烧速率较小所引起的发动机动力性不足，验证了双火花塞的速燃特性。
（3）模拟仿真分析可减少项目的研发成本、缩短研究周期，通过对不同方案的计算分析，为进一步的试验研究提供理论基础。
参考文献：
［1］ 张惠明，沈国华. CNG发动机燃烧过程的CFD模拟计算［J］.小型内燃机与摩托车，2007，（10）:9-11.
［2］ 马凡华， 蒋德明. 一种可变湍流的定容燃烧弹实验装置［J］.内燃机学报，2001，(1):69-72.
［3］ Fluent，Inc.FLUENT 6.3 User’s Guide.2006［M］.2006.
［4］ 解茂昭.内燃机计算燃烧学［M］.大连:大连理工大学出版社，2005.
［5］ 周龙保.内燃机学［M］.北京:机械工业出版社，2005.
［6］ S.Y.Liao，D.M.Jiang，Q.Cheng.Determination of laminar bur-
ning velocities for natural gas［J］.Fuel，83（2004）1247-1250.