【技术贴】AVL FIRE™ M：从喷嘴内流到发动机缸内过程——考虑多组分燃料闪急沸腾的完整仿真分析方案
作者：Bejoy Mandumpala Devassy
翻译：张一丹、张恩源
邮箱：cfd_support_china@avl.com
原文发布于公众号：AVL先进模拟技术
随着全球环境问题日益严重，传统汽车行业面临的压力也越来越大。需要开发出满足性能要求，同时排放减少、燃油经济性更高的发动机。对于汽油机来说，目前的主流燃油喷射技术为汽油直喷技术（Gasoline direct injection，简称GDI），为了更好的满足汽油机的开发需求，有必要更加详尽的了解汽油中的各个燃料组分在GDI喷嘴中所发生的物理现象，从而研究其对发动机排放的影响，以便更好的实现减排目标。
发动机燃烧网络组织（Engine Combustion Network，简称ECN）是一个以优化发动机燃烧为目标的国际合作组织，联系和促进测试和仿真研究者之间的合作。在该组织中，AVL FIRE™ M（简称AVL FIRE M）是唯一可以完整执行喷嘴流动到发动机缸内过程的仿真分析工具。本文中所介绍的内容已经在ECN2022年度会议中进行了展示，并得到了广泛认可。
AVL FIRE M解决方案的独特之处在于其仿真分析流程包含了喷嘴内部流动分析和发动机缸内过程分析的全过程。仿真的关键流程包括：CAD模型准备、仿真设置、计算求解、后处理和报告生成，所有步骤都在同一个工具——AVL FIRE M中完成。此外，相比于竞争对手，AVL FIRE M中强大的材料数据库能够更好的支持多材料、多组件仿真分析任务。AVL FIRE M具有稳定强大的求解器、多相流模型中先进的界面交换模型可以考虑各相之间的质量、动量、湍流和能量交换，喷雾和燃烧模块能够考虑多种组分，上述特点都为准确、高效的仿真提供了扎实基础。
图1为阿贡国家实验室（ANL）的研究成果，展示了试验和AVL FIRE M仿真结果之间的对比，所示为异辛烷在闪急沸腾条件下造成的喷嘴头部湿壁现象。AVL FIRE M的仿真结果与试验结果高度一致，这些结果在ECN被广泛接受。
图1：异辛烷燃料在闪急沸腾条件下造成的喷嘴头部湿壁现象：AVL FIRE M仿真结果与ANL试验结果对比
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直喷汽油机中的多组分燃料喷射策略
为了不断追求内燃机效率的提升和污染物排放的减少，需要详细了解发动机系统中每个阶段的流体流动情况，包括燃料类型、燃料喷射过程、气液相互作用、以及随后的燃油蒸汽分布、混合、燃烧和污染物产生过程。当前GDI发动机的策略是高温条件下喷射多组分燃料（或者替代燃料）。这种情况下将引起燃料的闪急沸腾，从而实现液体燃料更快的破碎速度，较小的喷雾贯穿距和较大的喷雾锥角。这将影响发动机的燃烧质量、改变CO2、NOx和Soot的排放水平，影响发动机的效率。图2为闪急沸腾喷雾的示意图，展示了闪急沸腾现象在喷嘴内部以及喷雾破碎、蒸发过程中的影响。
图2：闪急沸腾示意图，可以看出喷嘴内部以及喷雾区域闪急沸腾现象对于喷雾雾化的影响
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AVL FIRE™ M中的多组分闪急沸腾模型
闪急沸腾现象指的是高温液体压力突然下降至饱和蒸气压，或者温度超过饱和温度时，由液相转化为气相的一种快速蒸发现象。在AVL FIRE M中，考虑了闪急沸腾发生时流体热力学平衡状态的变化，采用先进的Hertz Knudsen模型进行闪急沸腾传质速率的建模。图3展示了进行多组分多相流喷组仿真的图形界面。模型中激活了Multiphase模块和Species transport模块，在species mass transfer界面，用户需要指定发生闪急沸腾的液相组分和对应的气相组分。
图3：AVL FIRE™ M软件界面
对于多组分闪急沸腾喷嘴流动仿真建模，应激活Multiphase模块，并在Mass Interfacial Exchange界面选择Multi-component flash boiling模型，如图4所示。
图4：AVL FIRE™ M 中关于多组分闪急沸腾的设置界面
各种液相组分和气相组分的属性对于闪急沸腾仿真来说是至关重要的，需要能够在仿真中正确考虑。AVL FIRE M为用户提供了非常智能的材料数据库（Property Database，简称PDB），其中包含非常丰富的材料，这些材料可以非常方便的组合成各种替代燃料，如图5所示。
图5：AVL FIRE™ M中用于多组分闪急沸腾仿真的材料属数据库（PDB）
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AVL FIRE M中从喷嘴流动仿真到发动机缸内过程仿真的完整分析流程
基于对发动机中存在的闪急沸腾现象的了解，燃油喷射过程的物理现象、喷油器几何结构等参数都起关键作用并影响燃烧和发动机排放。AVL FIRE M是一种非常独特的工具，可以通过非常简单的方式将喷嘴流动仿真和发动机缸内过程仿真进行组合。图6显示了仿真的步骤。第一步，采用多相流模块进行喷嘴流动仿真，将每个喷孔出口位置处的流动信息进行记录，并生成nozzle文件；然后，在第二步中，采用拉格朗日喷雾进行缸内过程仿真，第一步中生成的nozzle文件将被用作发动机缸内过程仿真的边界条件。
图6：AVL FIRE™ M从喷嘴流动仿真到发动机缸内过程仿真的仿真分析步骤
喷嘴流动多相流仿真中生成的nozzle文件中，按照设定的时间间隔，记录了所有流动变量的详细信息。图7展示的是nozzle文件的标题部分，包含设置区域的详细信息和流动变量。对于多组分仿真，nozzle文件还包含了仿真中涉及到的液相和气相的详细组分信息及各个组分的质量分数等信息。
图7：多组分燃料nozzle文件内容展示
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最先进的多组分燃料
PACE-20燃料是一种汽油的代理燃料，它可以有效的复现RD5-87燃料的PM和PN特性，这使得其非常适合用于实验室研究以及做对应的建模工作。PACE(Partnership for Advanced Combustion Engines)是由美国能源部资助致力于实现共同目标的，由6个国家实验室组成的燃烧联合会。该多组分燃料作为当前研究项目中的燃料，其中1,2,4-三甲基苯(C9H12)为PACE-20燃料的重要组成成分（体积分数12%），该成分可能是soot形成的重要原因。图8为PACE-20燃料的成分表，百分比为体积比。
图8 ：PACE-20燃料成分表
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仿真精度
喷嘴内的闪急沸腾是一种复杂的物理现象。喷雾过程中，流体具有强瞬态和高湍流的特征。当针阀开始移动，喷嘴入口边缘及近壁面区域的流体流动方向发生剧烈变化，也可以在这些区域观察到闪沸蒸汽气泡的产生。图9展示了喷嘴喷射过程中关键流动参数的发展历程。这些参数随时间有如此剧烈的变化是由于压力突然降低导致大量气泡形成所导致的。可以看出喷雾液团之间的相互作用、喷雾塌陷以及各个喷孔之间的相互作用等现象。图9中可以看到喷雾蒸汽的体积分数变化以及速度分布。
图9：多相流-多组分喷嘴内流仿真关键流动参数
为了解多组分射流的喷雾行为，密切监测混合物中各个组分的液相和气相在闪蒸过程中的行为非常重要。我们采用摩尔密度分数（Molar Density Fraction，简称MDF）这个概念来体现气相和液相状态下不同组分的占比，其定义见下方的公式：
通过摩尔密度分数，可以更加清晰的了解到各相中不同组分的分布和占比。图10和图11分别展示了各个组分液相和气相的摩尔密度分数随时间的变化情况。
图10：各个组分液相摩尔密度分数发展过程
多组燃料的闪急沸腾特性完全取决于各个组分的挥发性。在PACE燃料各组分的分析中，乙醇（Ethanol，C2H6O）是最轻的成分，而四氢萘(Tetralin，C10H12)是最重的。根据快速沸腾物理学，这说明乙醇的蒸发速度更快，而四氢萘的蒸发速度较慢。从图10和图11中可以清楚地看到，其它组分的蒸发速率介于乙醇和四氢萘之间。
图11：各个组分气相摩尔密度分数发展过程
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试验验证
采用ANL的测试结果验证多组分模型的精度。图12展示了距喷嘴出口下方1mm平面处液体密度（μg/mm3）的定性对比。从图片中可以看出，FIRE M的模拟结果和测试结果高度一致。可以看出每束喷雾的中部都有一个完整的液核，并沿着径向向外扩散。
图12：仿真验证-喷嘴出口1mm平面处液体密度的定性对比
图13为定量对比，展示了仿真与试验在喷嘴出口1mm平面处的液体密度沿中心线（图13中虚线）投影。图中数值为液体密度、分布密度的积分值。可以看出，AVL FIRE M的仿真结果与试验测试结果高度一致。
图13：仿真验证-喷嘴出口1mm平面处的定量对比
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如何通过仿真多组分燃料喷嘴内流如何影响缸内喷雾燃烧？
闪急沸腾发生时，液体射流的行为及其分解是剧烈变化的，因此它对喷雾的发展和湿壁行为会产生很大的影响，从而进一步影响到燃烧品质和污染物的形成。有必要采用喷嘴内流模拟的喷嘴文件作为发动机喷雾仿真的输入边界。在发动机缸内模拟中，燃油喷射量和喷油正时需要根据发动机的运行工况进行校准。图14展示的是燃油中各个组份质量分数在喷油过程中的发展历程。正如在喷嘴流内流模拟中观察到的那样，缸内模拟也显示出类似的蒸发行为，即乙醇比四氢萘蒸发得更快。这里需要注意的另一个点是，较重的组分更容易造成湿壁，而湿壁又是燃烧过程中soot生成的主要来源。
图14：缸内过程仿真中各组分质量分数发展历程
分析多组分燃料喷雾在闪沸条件下是如何影响发动机的燃烧和排放性能也是同样重要的。图15展示了关键燃烧参数和排放变量的发展情况。
图15 ：燃烧变量和污染物的定性分析
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总结
综上所述，针对替代燃料发动机，AVL FIRE M提供了从喷嘴内部流动仿真到缸内过程完整的虚拟解决方案和流程。可以考虑不同组份的详细发展过程，以及闪急沸腾喷射条件下燃烧室内各个组份及各相分布发展历程，从而更好的指导发动机燃烧系统的开发。
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cfd_support_china@avl.com
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