超临界环境下燃料液滴蒸发及其影响因素研究

admin · 发表于 2024-2-5 21:20:52

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液体燃料喷雾燃烧是高功率内燃机如柴油机、缸内直喷型汽油机、燃气轮机和火箭发动机等普遍采用的燃烧方式。在喷雾过程中，液体燃料破裂成为小的燃料液滴，燃料液滴又经历蒸发、混合和燃烧等过程。燃料液滴的蒸发与混合决定着可燃混合气的形成和燃料的放热规律，从而对内燃机的动力、经济和排放等性能有很大的影响。内燃机燃烧室内压力和温度通常都高于燃料的临界压力和临界温度，因此，开展超临界环境下燃料液滴蒸发过程的研究具有非常重要的意义。本文综合考虑液滴内部液相域、液滴周围气相域和液滴表面的质量、组分和能量瞬态守恒方程，液滴表面气液相平衡，以及超临界环境下气液两相物性参数的非理想性，建立了研究单一燃料液滴在超临界环境中蒸发过程的计算模型和计算程序。对传统的影响球模型进行了修正，将传统影响球模型中的间隙区域归入影响球区域范围内，考虑了间隙区域物性参数的非均匀分布，建立了研究燃料液滴群在超临界环境中蒸发过程的计算模型和计算程序。以实际气体状态方程为基础，建立了有效的超临界环境下气液两相热力学参数和输运参数计算方法，为超临界环境下燃料液滴蒸发过程的数值研究提供了必要条件。通过与试验数据的对比分析验证了计算模型的有效性。本文基于建立的计算模型，研究了超临界环境下单一燃料液滴和燃料液滴群的蒸发过程，分析了蒸发过程中出现的迁移现象和蒸发饱和现象，探讨了环境压力、环境温度、液滴初始温度、液滴初始直径、燃料种类和液滴间距对燃料液滴蒸发过程的影响。通过对超临界环境下单一燃料液滴蒸发过程的计算研究发现：燃料液滴在置于高于燃料临界压力和临界温度的超临界氮气环境之后，并不会马上迁移到超临界状态，而是液滴不断接受来自周围环境的热量，温度不断升高，直至液滴表面温度达到混合物临界温度，发生亚临界状态向超临界状态的迁移。燃料液滴只有在强超临界环境中蒸发时，液滴表面才会发生迁移，随着环境温度的升高，液滴表面发生迁移所需的最低环境压力逐渐降低。液滴表面发生迁移前，液滴表面处气相侧和液相侧的物性参数是不连续的，气液界面处的相平衡控制着液滴的蒸发过程。液滴表面发生迁移后，整个计算域内的物性参数连续变化，液滴表面消失，蒸发现象不再存在，只有燃料自燃料核心向周围环境的扩散。当单一燃料液滴在超临界环境中蒸发时，随着环境压力的升高，液滴表面温度升高加快，液滴表面发生迁移加快，液滴蒸发加快，液滴直径减小加快，液滴寿命逐渐延长。随着环境温度和液滴初始温度的升高，液滴表面温度升高加快，液滴表面发生迁移加快，液滴蒸发加快，液滴直径减小加快，液滴寿命逐渐缩短。环境温度对液滴寿命的影响强于环境压力的影响。通过对超临界环境下燃料液滴群蒸发过程的计算研究发现：当燃料液滴群在超临界环境中蒸发时，液滴间的相互作用使液滴群中燃料液滴较单一燃料液滴蒸发慢，并且液滴间距越小，液滴群中燃料液滴表面温度升高越慢，液滴蒸发率越小，液滴直径减小越慢。随着蒸发的进行，液滴蒸发使影响球内气相域燃料组分质量分数逐渐增大，温度逐渐降低。当环境压力和初始环境温度较低，并且液滴间距较小时，影响球内气相域温度会达到均匀一致，液滴周围气相域向液滴的传热停止，液滴蒸发率减小为零，蒸发停止，燃料液滴群达到蒸发饱和点。随着环境压力、初始环境温度和液滴初始温度的升高，液滴群中燃料液滴表面温度升高加快，液滴蒸发加快，液滴直径减小加快。

超临界环境下燃料液滴蒸发及其影响因素研究

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