基于乙醇柴油單液滴蒸發(fā)和湍流擴(kuò)散模型的噴霧和燃燒過(guò)程研究.pdf

1、隨著石油供需矛盾的不斷加劇，代用清潔燃料的研究越來(lái)越受到重視。乙醇是一種可再生的清潔含氧燃料，借助助溶劑制備乙醇柴油，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著柴油機(jī)向著高效、清潔和低CO2排放發(fā)展，需要深入了解多組分燃料乙醇柴油在缸內(nèi)霧化燃燒行為細(xì)節(jié)，利用燃料的理化性質(zhì)協(xié)同燃燒邊界優(yōu)化控制燃燒路徑，實(shí)現(xiàn)“油、氣、室”三者的優(yōu)化匹配。圍繞多組分燃料的物性計(jì)算、乙醇柴油單液滴蒸發(fā)模型和傳質(zhì)傳熱過(guò)程分析以及湍流擴(kuò)散燃燒模型等基礎(chǔ)理論開(kāi)展研究，改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流

2、體動(dòng)力學(xué)仿真軟件(ICFD-CN)燃料物性參數(shù)庫(kù)、霧化燃燒相關(guān)模塊，運(yùn)用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)底層代碼，構(gòu)建多組分燃料霧化燃燒仿真平臺(tái)，利用激光噴霧試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的可靠性。以YZ4102ZLQ柴油機(jī)為對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)開(kāi)展了乙醇柴油燃料特性對(duì)霧化燃燒過(guò)程影響機(jī)理的研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)開(kāi)展混合燃料物性參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算。對(duì)于乙醇柴油來(lái)說(shuō)，液滴在蒸發(fā)過(guò)程中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不斷發(fā)生變化，需采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算物

3、性參數(shù)。選取經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)對(duì)十四烷、乙醇和正丁醇的液體表面張力、蒸發(fā)焓、液體熱導(dǎo)率、粘度、密度、飽和蒸氣壓、標(biāo)準(zhǔn)生成焓以及正丁醇蒸氣在空氣中擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)比計(jì)算值與參考值，根據(jù)兩者的差異，對(duì)液體熱導(dǎo)率和粘度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，使其估算精度進(jìn)一步提高。
　　(2)構(gòu)建多組分燃料乙醇柴油單液滴蒸發(fā)模型，開(kāi)展燃料特性對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的影響分析。液滴蒸發(fā)是缸內(nèi)燃油霧化蒸發(fā)重要階段，而乙醇柴油是由理化性質(zhì)存在較大的組分構(gòu)成，與柴油單液滴蒸發(fā)存在明顯差

4、異。根據(jù)缸內(nèi)高溫高壓強(qiáng)旋流環(huán)境、高壓噴射霧化液滴直徑以及乙醇柴油理化性質(zhì)的特點(diǎn)，提出應(yīng)用曲線蒸餾模型同時(shí)耦合沸騰蒸發(fā)模型描述乙醇柴油單液滴蒸發(fā)時(shí)傳質(zhì)傳熱過(guò)程，借助文獻(xiàn)驗(yàn)證模型的可行性。結(jié)合柴油機(jī)邊界條件，獲得燃料特性對(duì)液滴蒸發(fā)時(shí)傳質(zhì)傳熱過(guò)程的影響規(guī)律。
　　(3)采用具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用前景的火焰面模型計(jì)算柴油機(jī)湍流擴(kuò)散燃燒速率。針對(duì)乙醇柴油多組分燃料的特點(diǎn)，增加控制方程，擴(kuò)展火焰面模型基礎(chǔ)方程，使其能計(jì)算乙醇柴油湍流擴(kuò)散燃燒速率。

5、
　　(4)基于ICFD-CN，搭建多組分燃料乙醇柴油的霧化燃燒平臺(tái)。①根據(jù)網(wǎng)格單元溫度和壓力，采用修正后的物性公式改進(jìn)ICFD-CN軟件中fuel、evap、colide、lawall、chem和chemeq等模塊中物性值計(jì)算代碼;②耦合構(gòu)建的多組分燃料蒸發(fā)模型，編寫(xiě)蒸發(fā)代碼，替代ICFD-CN原有evap蒸發(fā)模塊，修改其它輔助計(jì)算霧化蒸發(fā)的子模塊相關(guān)代碼;③進(jìn)一步耦合包含CO、CO2生成的兩步動(dòng)力學(xué)反應(yīng)預(yù)混合燃燒模型以及構(gòu)建的

6、多組分燃料擴(kuò)散燃燒模型，編寫(xiě)程序，改進(jìn)chem、chemeq和rinput模塊，從而構(gòu)建多組分燃料乙醇柴油的霧化燃燒仿真平臺(tái)。以YZ4102ZLQ柴油為對(duì)象，利用激光噴霧試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證噴霧形態(tài)、缸內(nèi)壓力以及NOx排放。結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)吻合良好，可進(jìn)一步應(yīng)用于乙醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)霧化燃燒過(guò)程的數(shù)值研究。該平臺(tái)的構(gòu)建，解決了原ICFD-CN軟件不能預(yù)測(cè)乙醇柴油多組分燃料霧化燃燒過(guò)程的局限，對(duì)于由理化性質(zhì)差異較大組成的混合燃料的燃燒過(guò)程仿

7、真，具有重要的參考價(jià)值。
　　(5)分析乙醇柴油燃料特性對(duì)噴射和霧化過(guò)程的影響規(guī)律。測(cè)量柴油機(jī)燃用十四烷和N5E10時(shí)高壓油管嘴泵端壓力，分析并獲得燃料特性對(duì)高壓油管內(nèi)燃油壓力波特性的影響規(guī)律。仿真圍繞乙醇柴油燃料特性對(duì)連續(xù)射流初次霧化、液滴二次霧化、二次霧化特征參數(shù)對(duì)液滴半徑敏感性、缸內(nèi)燃油蒸發(fā)速率、氣相流場(chǎng)和噴霧演變的影響，得出燃用乙醇柴油時(shí)會(huì)增加燃油射流產(chǎn)生的平衡區(qū)渦團(tuán)脈動(dòng)，同時(shí)探明缸內(nèi)N5E10燃油霧化效果優(yōu)于十四烷的根本

8、原因。
　　(6)利用臺(tái)架試驗(yàn)，開(kāi)展乙醇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性對(duì)助溶劑感受性研究。獲得燃用乙醇柴油/柴油時(shí)氣缸壓力、放熱率、預(yù)混合和擴(kuò)散燃燒持續(xù)期和熱量分配、燃燒重心、常規(guī)排放以及顆粒物粒徑分布特性等方面變化規(guī)律。與柴油相比，乙醇柴油預(yù)混合燃燒期縮短，預(yù)混合燃燒階段放熱量比例降低，擴(kuò)散燃燒期縮短，燃燒重心更加向上止點(diǎn)靠近。乙醇柴油的NOx和不透光煙度降低，且N5E10效果更好。乙醇柴油的排放顆粒物分布向小粒徑方向移動(dòng)，助溶劑種

9、類(lèi)對(duì)乙醇柴油燃燒顆粒粒徑分布有影響;與N5E10相比，B10E10燃燒顆粒小粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加。
　　(7)利用構(gòu)建的仿真平臺(tái)，數(shù)值分析乙醇柴油燃料特性對(duì)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律。獲得燃料特性對(duì)燃油質(zhì)量蒸發(fā)速率、混合氣分布、燃料濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滯燃期和滯燃期形成可燃混合氣數(shù)量、燃料燃燒速率以及燃燒過(guò)程中關(guān)鍵組分濃度的影響規(guī)律。十四烷中摻醇，燃燒穩(wěn)定性得到改善，溫度分布更加均勻，局部高溫區(qū)減小，高溫區(qū)形狀由狹長(zhǎng)型過(guò)渡為塊狀分布。燃用