歐盟重型車輛法規(guī)規(guī)定，到2030年碳排放量要減少43%，到2035年歐盟的碳減排任務(wù)將攀升至64%，到2040年將飆升至90%。IFPEnergies novellas(IFPEN)是一家總部位于法國呂埃爾-馬爾邁松鎮(zhèn)（Rueil-Malmaison）的公共研究與創(chuàng)新機構(gòu)，其CFD工程師VincentGiuffrida表示：“氫內(nèi)燃機在減少二氧化碳排放方面可以發(fā)揮積極作用?！?

Giuffrida和IFPEN的同事兼研究工程師Olivier Colin是七月份“重型機械專用氫氣燃燒系統(tǒng)開發(fā)”網(wǎng)絡(luò)研討會的主講人，網(wǎng)絡(luò)研討會由總部位于威斯康星州麥迪遜市的ConvergentScience公司主辦。該公司的ConVERGE CFD軟件可模擬三維流體流動，其功能包括自主網(wǎng)格劃分、幾何形狀的復(fù)雜移動、詳盡的化學(xué)動力學(xué)求解器、先進(jìn)的物理模型、共軛傳熱模型、FSI流體結(jié)構(gòu)相互作用（包括剛性和非剛性體FSI）以及用于模擬多相流的流體體積(VOF)工具。

ConVERGE CFD工具在開發(fā)、模擬和優(yōu)化IFPEN重型氫氣燃燒發(fā)動機實驗中發(fā)揮了重要作用。同時，與 IFPEN合作開發(fā)的特定軟件模型被用于模擬氫氣發(fā)動機的燃燒，并進(jìn)行了相關(guān)實驗測試。這些工具包括用于點火的ISSIM（強力拉伸火花點火模型）、用于自動點火和爆震預(yù)測的TKI（表列動能點火）以及用于預(yù)混火焰的ECFM（擬序燃燒模型）。

根據(jù)IFPEN的科林研究，對于Le>1和Le<1混合物（Le代表路易斯數(shù)），新的湍流伸展模型LPF（低通濾波器）與DNS（直接數(shù)值模擬）結(jié)果顯示出很好的一致性，無論是在小火焰還是在增厚反應(yīng)區(qū)（TRZ）狀態(tài)下。此外CONVERGE還具有ECFM的多燃料功能，因此可以使用該模型模擬氫氣或氨氣。

使用ConVERGE CFD軟件進(jìn)行的設(shè)計和優(yōu)化過程表明，要實現(xiàn)更好的氫氣/空氣氣態(tài)混合，需要較高的湍流水平，而這可以通過翻滾空氣動力運動方法來實現(xiàn)。據(jù)專家介紹，CFD模擬還表明氫氣噴射器的定義（位置和目標(biāo)）是“實現(xiàn)氫氣/空氣混合和發(fā)動機性能進(jìn)一步改進(jìn)的首要條件”。

IFPEN的發(fā)動機研究團(tuán)隊率先開發(fā)了自主設(shè)計的發(fā)動機試驗臺：排量為2.1升的單缸直噴發(fā)動機，最大噴射壓力為40巴（580磅/平方英寸），IFPEN制造試驗發(fā)動機的合作伙伴有TennecoPowertrain（火花塞供應(yīng)商）、Phinia（氫氣噴射器供應(yīng)商）和 Danielson Engineering（氫氣燃燒發(fā)動機制造商）等。

Giuffrida說：“最終我們有可能根據(jù)提出的CFD設(shè)計實現(xiàn)完整的發(fā)動機圖譜?！彼赋?，CFD預(yù)測的指示效率為47%，并在2.1升氫發(fā)動機試驗臺上得到了實驗證實，空燃比在1.8至3之間時，最高效率可達(dá)48%。

氫氣發(fā)動機的三維燃燒建模仍然是工程師面臨的挑戰(zhàn)，例如：由于氫的渦流和擴散等特殊性質(zhì)，因此氫直接噴射時燃燒室中出現(xiàn)的超音速氫氣射流很難建模，CFD團(tuán)隊還注意到，RANS（雷諾平均N-S方程）和LES（大渦模擬）湍流建模方法的氫氣/空氣混合功能存在顯著差異。

氫氣內(nèi)燃機面臨的另一個軟件建模挑戰(zhàn)與壁面?zhèn)鳠嵊嘘P(guān)，特別是考慮到氫氣與其他傳統(tǒng)燃料（如汽油和甲烷）之間固有的物理性質(zhì)差異，比如淬火距離等。因此還需要開展更多的研究工作，以確定預(yù)點火和爆震的原因，從而在建模過程中解決這些不必要的現(xiàn)象。

Giuffrida表示，IFPEN正在通過持續(xù)的研究應(yīng)對與氫內(nèi)燃機有關(guān)的各種挑戰(zhàn)。IFPEN的工程師和研究人員還與Convergent Science合作，通過不同的研究計劃（包括側(cè)重于先進(jìn)實驗工具的項目）來改進(jìn)氫燃燒的CFD建模。