作者：Bejoy Mandumpala Devassy

翻譯：張一丹、張恩源

郵箱：cfd_support_china@avl.com

原文發(fā)布于公眾號：AVL先進模擬技術

隨著全球環(huán)境問題日益嚴重，傳統(tǒng)汽車行業(yè)面臨的壓力也越來越大。需要開發(fā)出滿足性能要求，同時排放減少、燃油經(jīng)濟性更高的發(fā)動機。對于汽油機來說，目前的主流燃油噴射技術為汽油直噴技術（Gasoline direct injection，簡稱GDI），為了更好的滿足汽油機的開發(fā)需求，有必要更加詳盡的了解汽油中的各個燃料組分在GDI噴嘴中所發(fā)生的物理現(xiàn)象，從而研究其對發(fā)動機排放的影響，以便更好的實現(xiàn)減排目標。

發(fā)動機燃燒網(wǎng)絡組織（Engine Combustion Network，簡稱ECN）是一個以優(yōu)化發(fā)動機燃燒為目標的國際合作組織，聯(lián)系和促進測試和仿真研究者之間的合作。在該組織中，AVL FIRE? M（簡稱AVL FIRE M）是唯一可以完整執(zhí)行噴嘴流動到發(fā)動機缸內(nèi)過程的仿真分析工具。本文中所介紹的內(nèi)容已經(jīng)在ECN2022年度會議中進行了展示，并得到了廣泛認可。

AVL FIRE M解決方案的獨特之處在于其仿真分析流程包含了噴嘴內(nèi)部流動分析和發(fā)動機缸內(nèi)過程分析的全過程。仿真的關鍵流程包括：CAD模型準備、仿真設置、計算求解、后處理和報告生成，所有步驟都在同一個工具——AVL FIRE M中完成。此外，相比于競爭對手，AVL FIRE M中強大的材料數(shù)據(jù)庫能夠更好的支持多材料、多組件仿真分析任務。AVL FIRE M具有穩(wěn)定強大的求解器、多相流模型中先進的界面交換模型可以考慮各相之間的質(zhì)量、動量、湍流和能量交換，噴霧和燃燒模塊能夠考慮多種組分，上述特點都為準確、高效的仿真提供了扎實基礎。

圖1為阿貢國家實驗室（ANL）的研究成果，展示了試驗和AVL FIRE M仿真結果之間的對比，所示為異辛烷在閃急沸騰條件下造成的噴嘴頭部濕壁現(xiàn)象。AVL FIRE M的仿真結果與試驗結果高度一致，這些結果在ECN被廣泛接受。

圖1：異辛烷燃料在閃急沸騰條件下造成的噴嘴頭部濕壁現(xiàn)象：AVL FIRE M仿真結果與ANL試驗結果對比

1

直噴汽油機中的多組分燃料噴射策略

為了不斷追求內(nèi)燃機效率的提升和污染物排放的減少，需要詳細了解發(fā)動機系統(tǒng)中每個階段的流體流動情況，包括燃料類型、燃料噴射過程、氣液相互作用、以及隨后的燃油蒸汽分布、混合、燃燒和污染物產(chǎn)生過程。當前GDI發(fā)動機的策略是高溫條件下噴射多組分燃料（或者替代燃料）。這種情況下將引起燃料的閃急沸騰，從而實現(xiàn)液體燃料更快的破碎速度，較小的噴霧貫穿距和較大的噴霧錐角。這將影響發(fā)動機的燃燒質(zhì)量、改變CO2、NOx和Soot的排放水平，影響發(fā)動機的效率。圖2為閃急沸騰噴霧的示意圖，展示了閃急沸騰現(xiàn)象在噴嘴內(nèi)部以及噴霧破碎、蒸發(fā)過程中的影響。

圖2：閃急沸騰示意圖，可以看出噴嘴內(nèi)部以及噴霧區(qū)域閃急沸騰現(xiàn)象對于噴霧霧化的影響

2

AVL FIRE? M中的多組分閃急沸騰模型

閃急沸騰現(xiàn)象指的是高溫液體壓力突然下降至飽和蒸氣壓，或者溫度超過飽和溫度時，由液相轉化為氣相的一種快速蒸發(fā)現(xiàn)象。在AVL FIRE M中，考慮了閃急沸騰發(fā)生時流體熱力學平衡狀態(tài)的變化，采用先進的Hertz Knudsen模型進行閃急沸騰傳質(zhì)速率的建模。圖3展示了進行多組分多相流噴組仿真的圖形界面。模型中激活了Multiphase模塊和Species transport模塊，在species mass transfer界面，用戶需要指定發(fā)生閃急沸騰的液相組分和對應的氣相組分。

圖3：AVL FIRE? M軟件界面

對于多組分閃急沸騰噴嘴流動仿真建模，應激活Multiphase模塊，并在Mass Interfacial Exchange界面選擇Multi-component flash boiling模型，如圖4所示。

圖4：AVL FIRE? M 中關于多組分閃急沸騰的設置界面

各種液相組分和氣相組分的屬性對于閃急沸騰仿真來說是至關重要的，需要能夠在仿真中正確考慮。AVL FIRE M為用戶提供了非常智能的材料數(shù)據(jù)庫（Property Database，簡稱PDB），其中包含非常豐富的材料，這些材料可以非常方便的組合成各種替代燃料，如圖5所示。

圖5：AVL FIRE? M中用于多組分閃急沸騰仿真的材料屬數(shù)據(jù)庫（PDB）

3

AVL FIRE M中從噴嘴流動仿真到發(fā)動機缸內(nèi)過程仿真的完整分析流程

基于對發(fā)動機中存在的閃急沸騰現(xiàn)象的了解，燃油噴射過程的物理現(xiàn)象、噴油器幾何結構等參數(shù)都起關鍵作用并影響燃燒和發(fā)動機排放。AVL FIRE M是一種非常獨特的工具，可以通過非常簡單的方式將噴嘴流動仿真和發(fā)動機缸內(nèi)過程仿真進行組合。圖6顯示了仿真的步驟。第一步，采用多相流模塊進行噴嘴流動仿真，將每個噴孔出口位置處的流動信息進行記錄，并生成nozzle文件；然后，在第二步中，采用拉格朗日噴霧進行缸內(nèi)過程仿真，第一步中生成的nozzle文件將被用作發(fā)動機缸內(nèi)過程仿真的邊界條件。

圖6：AVL FIRE? M從噴嘴流動仿真到發(fā)動機缸內(nèi)過程仿真的仿真分析步驟

噴嘴流動多相流仿真中生成的nozzle文件中，按照設定的時間間隔，記錄了所有流動變量的詳細信息。圖7展示的是nozzle文件的標題部分，包含設置區(qū)域的詳細信息和流動變量。對于多組分仿真，nozzle文件還包含了仿真中涉及到的液相和氣相的詳細組分信息及各個組分的質(zhì)量分數(shù)等信息。

圖7：多組分燃料nozzle文件內(nèi)容展示

4

最先進的多組分燃料

PACE-20燃料是一種汽油的代理燃料，它可以有效的復現(xiàn)RD5-87燃料的PM和PN特性，這使得其非常適合用于實驗室研究以及做對應的建模工作。PACE(Partnership for Advanced Combustion Engines)是由美國能源部資助致力于實現(xiàn)共同目標的，由6個國家實驗室組成的燃燒聯(lián)合會。該多組分燃料作為當前研究項目中的燃料，其中1,2,4-三甲基苯(C9H12)為PACE-20燃料的重要組成成分（體積分數(shù)12%），該成分可能是soot形成的重要原因。圖8為PACE-20燃料的成分表，百分比為體積比。

圖8 ：PACE-20燃料成分表

5

仿真精度

噴嘴內(nèi)的閃急沸騰是一種復雜的物理現(xiàn)象。噴霧過程中，流體具有強瞬態(tài)和高湍流的特征。當針閥開始移動，噴嘴入口邊緣及近壁面區(qū)域的流體流動方向發(fā)生劇烈變化，也可以在這些區(qū)域觀察到閃沸蒸汽氣泡的產(chǎn)生。圖9展示了噴嘴噴射過程中關鍵流動參數(shù)的發(fā)展歷程。這些參數(shù)隨時間有如此劇烈的變化是由于壓力突然降低導致大量氣泡形成所導致的。可以看出噴霧液團之間的相互作用、噴霧塌陷以及各個噴孔之間的相互作用等現(xiàn)象。圖9中可以看到噴霧蒸汽的體積分數(shù)變化以及速度分布。

圖9：多相流-多組分噴嘴內(nèi)流仿真關鍵流動參數(shù)

為了解多組分射流的噴霧行為，密切監(jiān)測混合物中各個組分的液相和氣相在閃蒸過程中的行為非常重要。我們采用摩爾密度分數(shù)（Molar Density Fraction，簡稱MDF）這個概念來體現(xiàn)氣相和液相狀態(tài)下不同組分的占比，其定義見下方的公式：

通過摩爾密度分數(shù)，可以更加清晰的了解到各相中不同組分的分布和占比。圖10和圖11分別展示了各個組分液相和氣相的摩爾密度分數(shù)隨時間的變化情況。

圖10：各個組分液相摩爾密度分數(shù)發(fā)展過程

多組燃料的閃急沸騰特性完全取決于各個組分的揮發(fā)性。在PACE燃料各組分的分析中，乙醇（Ethanol，C2H6O）是最輕的成分，而四氫萘(Tetralin，C10H12)是最重的。根據(jù)快速沸騰物理學，這說明乙醇的蒸發(fā)速度更快，而四氫萘的蒸發(fā)速度較慢。從圖10和圖11中可以清楚地看到，其它組分的蒸發(fā)速率介于乙醇和四氫萘之間。

圖11：各個組分氣相摩爾密度分數(shù)發(fā)展過程

6

試驗驗證

采用ANL的測試結果驗證多組分模型的精度。圖12展示了距噴嘴出口下方1mm平面處液體密度（μg/mm3）的定性對比。從圖片中可以看出，F(xiàn)IRE M的模擬結果和測試結果高度一致。可以看出每束噴霧的中部都有一個完整的液核，并沿著徑向向外擴散。

圖12：仿真驗證-噴嘴出口1mm平面處液體密度的定性對比

圖13為定量對比，展示了仿真與試驗在噴嘴出口1mm平面處的液體密度沿中心線（圖13中虛線）投影。圖中數(shù)值為液體密度、分布密度的積分值。可以看出，AVL FIRE M的仿真結果與試驗測試結果高度一致。

圖13：仿真驗證-噴嘴出口1mm平面處的定量對比

7

如何通過仿真多組分燃料噴嘴內(nèi)流如何影響缸內(nèi)噴霧燃燒？

閃急沸騰發(fā)生時，液體射流的行為及其分解是劇烈變化的，因此它對噴霧的發(fā)展和濕壁行為會產(chǎn)生很大的影響，從而進一步影響到燃燒品質(zhì)和污染物的形成。有必要采用噴嘴內(nèi)流模擬的噴嘴文件作為發(fā)動機噴霧仿真的輸入邊界。在發(fā)動機缸內(nèi)模擬中，燃油噴射量和噴油正時需要根據(jù)發(fā)動機的運行工況進行校準。圖14展示的是燃油中各個組份質(zhì)量分數(shù)在噴油過程中的發(fā)展歷程。正如在噴嘴流內(nèi)流模擬中觀察到的那樣，缸內(nèi)模擬也顯示出類似的蒸發(fā)行為，即乙醇比四氫萘蒸發(fā)得更快。這里需要注意的另一個點是，較重的組分更容易造成濕壁，而濕壁又是燃燒過程中soot生成的主要來源。

圖14：缸內(nèi)過程仿真中各組分質(zhì)量分數(shù)發(fā)展歷程

分析多組分燃料噴霧在閃沸條件下是如何影響發(fā)動機的燃燒和排放性能也是同樣重要的。圖15展示了關鍵燃燒參數(shù)和排放變量的發(fā)展情況。

圖15 ：燃燒變量和污染物的定性分析

8

總結

綜上所述，針對替代燃料發(fā)動機，AVL FIRE M提供了從噴嘴內(nèi)部流動仿真到缸內(nèi)過程完整的虛擬解決方案和流程。可以考慮不同組份的詳細發(fā)展過程，以及閃急沸騰噴射條件下燃燒室內(nèi)各個組份及各相分布發(fā)展歷程，從而更好的指導發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的開發(fā)。

需要更加詳細的信息，請與我們聯(lián)系吧~

cfd_support_china@avl.com

更多精彩分享：

【技術貼】AVL FIRE? M Engine: 全新升級的內(nèi)燃機缸內(nèi)仿真解決方案

【技術貼】AVL FIRE? M嵌套求解技術（Embedded Body）