氢内燃机宽工况下火焰燃烧模型的预测能力评估与优化策略研究

本研究针对氢燃料内燃机(H2ICE)燃烧模拟中传统模型(ECFM-3Z和CC-TFC)在宽工况下的预测偏差问题，通过构建燃烧平面测试和缸内模拟相结合的多尺度验证体系，揭示了两种模型在低/高湍流条件下的火焰传播特性差异，提出CC-TFC模型通过Damk?hler关联式修正可实现单参数配置覆盖PFI稀燃和HDI当量比工况，相比ECFM-3Z减少56%的校准工作量，为氢能发动机开发提供了可靠的CFD方法论。

　　

在全球气候变暖加剧的背景下，氢燃料内燃机(H₂ICE)作为交通领域脱碳的关键技术备受关注。2024年地球表面温度较1951-1980年均值升高1.28°C的监测数据，凸显了CO₂减排的紧迫性。氢燃料凭借零碳排放、宽广可燃范围(Φ=0.1-7.1)和超高火焰速度等优势，成为内燃机转型的重要选择。然而，氢燃烧的独特特性也给数值模拟带来巨大挑战——传统碳氢燃料的燃烧模型在预测氢火焰与湍流相互作用时，常出现低湍流工况熄火、高湍流工况过快的两极分化现象。

为解决这一难题，Manuel Madia团队在《Fuel》发表研究，系统评估了两种主流燃烧模型(Three-Zones Extended Coherent Flamelet Model, ECFM-3Z和Complex Chemistry with Turbulent Flame Speed Closure, CC-TFC)在氢内燃机宽工况下的预测能力。研究创新性地采用"燃烧平面测试+实机验证"的双轨策略：首先在可控燃烧平面中量化模型对湍流强度(k/ε)和当量比(Φ)的敏感性，随后在PFI稀燃(Φ=0.55)和HDI当量比(Φ=1.0)两种发动机架构上开展验证，覆盖1500-6000rpm转速范围和4-24bar GIMEP负荷工况。

关键技术包括：1)基于XJTUNO-2021机理构建涵盖550-1250K温度、10-150bar压力的LFS数据库；2)采用RNG k-ε湍流模型和GruMo-UniMORE传热模型；3)通过y⁺壁面模型捕捉淬火效应；4)开发动态修正的Damk?hler关联式实现TFS闭环控制。

研究结果揭示：在低湍流条件(如1500rpm PFI)，ECFM-3Z的火焰位移速度(S_d)会非物理地趋近于零，需将α参数从默认1.6提升至2.5才能匹配实验数据，而CC-TFC通过A=2.2的单参数设置即可准确预测；在高湍流工况(如6000rpm HDI)，ECFM-3Z即使将α降至0.6仍会高估燃烧速率56%，CC-TFC仅需微调A至2.5即可保持3%以内的偏差。能量平衡分析显示，CC-TFC预测的壁面热通量比ECFM-3Z高30%，更符合实际发动机热负荷特征。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了氢火焰在Da>1和Ka<1的火焰let区间的特殊传播规律，建立了适用于宽工况的CC-TFC标准化建模流程。相比传统方法，新方案将模型校准工作量降低50%以上，为氢内燃机从光学研究机到高性能机的全谱系开发提供了可靠工具。未来可结合OH*自由基成像等光学诊断技术，进一步优化近壁淬火模型的预测精度。