1、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
2、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。 21 定容燃烧弹系统 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
3、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；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
4、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。 之后，在 OpenFOAM中对点火以及燃烧所需的参数进行编译，使计算3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
5、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、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 0.1 MPa，初始温度 290 K，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
6、外扩散并呈球形发展，于两侧点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。在掺氢比为 25%时，燃烧压力 P在点火后 0.01 s时快速
7、增加，4远大于掺氢比为 10%和不掺氢时。 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 0.1 MPa，初始温度 300 K，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对甲烷掺氢燃烧计算结果的影响程度进行分析讨论。本文只讨论指前因子和活化能对甲烷掺氢燃烧特性的影响。 计算方案如下：初始温度分别为 290 K，340 K，3
8、90 K，掺氢比为20%，初始压力为 0.1 MPa，当量比为 1.0。 指前因子和活化能的取值分为三组，分别为 E1，E2，E3，详见表1。 2.3.1 指前因子对燃烧特性的影响 在燃烧反应的初期，对表 1中 E2，E3 两组进行计算，当反应初始温度为 290 K时，指前因子对燃烧温度 T的影响情况如图 7所示。0.004 s之后（即化学反应阶段） ，E2 组对应的燃烧温度数值略大于 E3组，二者的燃烧温度差值随时间变化呈递增趋势，但最高差值只有 40 K。由此可知，在一定的初始燃烧温度下，指前因子对燃烧温度影响并不明显。 2.3.2 活化能对燃烧特性的影响 在反应体系中只有少数具有一定能量
9、水平的分子（即活化分子）才能引起反应。活化分子的平均能5量与所有分子的平均能量之差称为活化能。要使反应发生，分子碰撞后获得的动能必须大于活化能。活化能越大，反应对温度变化越敏感。活化能对化学反应的影响集中在燃烧初期，一旦化学链完全形成，则活化能的影响便会减弱。 在燃烧初期，以掺氢比 20%，初始压力 0.1 MPa，当量比 1.0，初始温度 340 K和 390 K为计算条件，表 1中 E1和 E3组所对应的计算结果如图 9所示，初始温度升高，燃烧温度会呈现上升的趋势，但是不同的活化能对燃烧温度影响不明显。 由图 10中可以看出，初始温度对燃烧压力有较大影响，初始温度越高，燃烧压力越大。在初始
10、温度为 340 K时，E1 和 E3组所对应的燃烧压力值较为接近；而在初始温度为 390 K时，E1 组对应的燃烧压力值与 E3组对应的燃烧压力值相比偏小，且随时间的推移这种差异越来越大。由此可见，活化能的增加会使化学反应速率变慢，使得化学反应困难。换言之，活化能的增加导致反应速率对温度敏感性上升。 3 结束语 通过对比实验结果和仿真结果，验证了在 OpenFOAM中建立定容燃烧弹内甲烷掺氢燃烧模型的合理性和可靠性。在本文实验与仿真条件下，得到以下结论： （1）混合气的燃烧温度随掺氢比的增加而提高； （2）混合气的燃烧压力随掺氢比的增加而提升； （3）提高掺氢比可以提升混合气的燃烧速度； （4
11、）基元反应动力学参数中指前因子对燃烧压力影响不明显，而活6化能的增加会导致反应速率对温度敏感性上升。 参考文献 1 B. Nagalinyam， F. Duebel， K. Schmillen. Performance Study Using Natural Gas， Hydrogen-Supplemented Natural Gas and Hydrogen in AVL Research EngineJ.International Journal of Hydrogen Energy， 1983，18（9）：715-720. 2 Bade Shrestha SO， Karim GA. Hy
12、drogen as An Additive to Methane for Spark Ignition Engine ApplicationsJ.International Journal of Hydrogen Energy， 1999， 24（6）： 577-586. 3 黄佐华，王金华.氢能在燃烧发动机上利用的研究综述EB/OL.http：/. 4 张勇，黄佐华.天然气/氢气燃烧特性研究J.内燃机学报，2006，24（3）：200-205. 5 武辉，穆克进.氢含量对氢气/甲烷混合气扩散燃烧特性的影响研究J.热能动力工程，2010，25（1）：102-106. 6 张勇，黄佐华.天然气-
13、氢气-空气混合气火焰传播特性研究J.内燃机学报，2006，24（6）：481-488. 7 王金华，黄佐华.喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响J.西安交通大学学报，2006，40（7）：767-770. 8 ZHANG Hongguang， BAI Xiaolei， HAN Xuejiao. Study on the Combustion Characteristics of Low Calorific Value Gas in the Constant Volume Combustion BombC/Proceedings of 2011 7International Conference on Electric Information and Control Engineering，2011. 9 OpenFOAM 官方网站EB/OL.http：/www.openfoam.org/.
