基于OpenFOAM的甲烷掺氢燃烧数值模拟研究

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1、基于OpenFOAM的甲烷掺氢燃烧数值模拟研究　　摘要：为了研究甲烷掺氢后的燃烧特性，采用定容燃烧弹实验系统和OpenFOAM软件，将实验测试与数值模拟相结合，系统地分析了掺氢比、指前因子、活化能等参数对甲烷燃烧特性参数的影响。研究结果表明，掺氢后可使混合气燃烧速度加快，燃烧温度提高；指前因子对燃烧性能参数影响不明显；活化能增加，导致燃烧反应速率对混合气初始温度变化的敏感性提高。　　关键词：甲烷；掺氢；定容燃烧弹；燃烧特性　　汽车排放出的有害气体，不断威胁着人类生存的环境。为了达到节能减排并且满足

2、发动机动力性能需要的目的，寻找适合的内燃机替代燃料已经成为当今的研究热点。天然气燃料是一种清洁能源，主要成分是甲烷。其具有排放污染小、价格低、安全可靠等优点，但是也存在着燃烧速率低、发动机动力性能低于常规发动机等不足。因此，国内外研究人员针对改善天然气燃烧特性问题，进行了大量的研究工作，提出了多种解决方案[1-7]，天然气掺混氢气是改善天然气发动机燃烧性能的方法之一。　　基于2013年北京工业大学国家级大学生创新创业训练计划项目的研究成果，本文采用OpenFOAM软件，建立了基于定容燃烧弹的甲烷掺

3、氢燃烧模型，对比实验结果与仿真计算结果，分析了掺氢对甲烷燃烧特性参数的影响规律。　　1定容燃烧弹系统7　　本实验使用的定容燃烧弹系统主要由燃烧弹弹体、混合气配气系统、点火控制系统、温度控制系统、压力采集系统、同步控制系统、火焰图片采集系统等组成。图1所示为定容燃烧实验系统图[8]。　　实验时，首先通过混合气配气系统配气，在预混罐中充分搅拌直至均匀；然后把均匀的混合气充入燃烧弹中；利用温度控制系统使初始温度达到预定结果；当数据采集系统、同步控制系统及火焰图片采集系统均进入工作预备状态之后，执行点火；

4、燃烧过程中，将图片采集及压力数据完整保存；实验结束后，开启真空泵，将管路及弹体进行抽真空处理，从而恢复到初始实验状态。　　2燃烧特性研究　　2.1仿真模型的建立　　在OpenFOAM中根据实际定容燃烧弹弹体的尺寸和特点设定几何模型的尺寸和边界条件，建立定容燃烧弹（CVCB）几何模型并划分网格（如图2所示）。　　OpenFOAM中含有燃烧机理方面研究的燃烧求解器“reactingFOAM”，其原程序基于部分搅拌的可压缩化学反应，因此可在该求解器原程序基础上进行修改[9]。由于需要仿真定容燃烧弹弹体中

5、的混合气燃烧，故在“reactingFOAM”原程序中添加点火燃烧程序。所添加的点火程序原理为在点火范围内向单元网格施加一定焓值，累计施加至混合器可自行燃烧，即跳出累加循环转至化学反应阶段。7　　之后，在OpenFOAM中对点火以及燃烧所需的参数进行编译，使计算时程序可以正确地识别参数标识并进行数据计算。需要添加的文件为combustionProperties，相应参数为点火直径、点火能量、点火持续期、时间步长等几个重要的参数。此外，还添加了燃烧以及化学反应相应必要的程序，如化学反应属性、燃烧属性

6、、反应机理等各个参数的读取程序，计算结果反馈和数据输出等程序。　　2.2掺氢比对燃烧特性的影响　　2.2.1仿真结果对实验结果的对比分析　　仿真结果和实验数据的对比校核如图3和图4所示。图3为掺氢比为10%时仿真火焰半径R和实验所得纹影图像的对比。在掺氢比10%，初始压力0.1MPa，初始温度290K，当量比为1.0时，从对比图中可明显看出实验从火核点火开始，火焰前锋面发展并非圆形，竖轴半径大于横轴半径，点火针在点火初期对火核发展的影响较大。点火针的间距影响火焰前锋面向外扩散并呈球形发展，于两侧点

7、火针端面出现了挤压火焰前峰面的现象，这使火球的纵向发展不受阻碍，形成了实验图像所示的效果。而由于仿真中未设置点火针，因此没有出现实验中的现象。由于网格划分的密度状况，使得火焰前锋面在4个方向上有突出现象。由于实验中会有各种因素，导致实验值和仿真值之间存在一些误差，但误差在所允许范围内，因此仿真中所设置的参数基本合理。　　2.2.2掺氢比对燃烧温度和燃烧压力的影响　　图5a为不同掺氢比下的燃烧温度对比曲线。从图5a中可以看出，燃烧温度T随着掺氢比的增加而提高。图5b为不同掺氢比下的燃烧压力对比曲线。

8、在掺氢比为25%时，燃烧压力P在点火后0.01s时快速增加，远大于掺氢比为10%和不掺氢时。7　　2.2.3掺氢比对燃烧速度的影响　　图6为不同掺氢比下，初始压力0.1MPa，初始温度300K，当量比为1.0时，火焰发展图像随时间的变化。由图可见，随着掺氢比的增加，火焰半径逐渐增大，掺氢使得混合气的燃烧速度有所增加。　　2.3活化能和指前因子对燃烧特性的影响　　根据OpenFOAM中的甲烷-氢气混合机理，在不同掺氢比下基元反应动力学参数并不完全相同，所以有必要针对基元反应动力学参数