燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、對于直噴式柴油機(jī)來說，燃油的噴射、霧化、蒸發(fā)和燃燒過程非常重要，燃油液滴的蒸發(fā)過程和燃油蒸氣的空間分布很大程度上決定了直噴式柴油機(jī)的燃燒特性，從而進(jìn)一步影響其總體性能。因此有必要開展燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理的研究。
　　本文以直噴式柴油機(jī)燃油液滴的蒸發(fā)過程為研究背景，將燃油液滴蒸發(fā)過程中傳熱傳質(zhì)機(jī)理作為研究重點，采用數(shù)值模擬、理論分析與實驗方法進(jìn)行了研究。
　　由于實驗條件和數(shù)值模擬方法的限制，目前對于燃油液滴蒸發(fā)過程傳

2、熱傳質(zhì)機(jī)理的認(rèn)識并不完善。對于存在液滴蒸發(fā)過程等工程應(yīng)用中，多采用經(jīng)驗公式進(jìn)行研究。然而現(xiàn)有的經(jīng)驗公式并不能準(zhǔn)確地模擬液滴的蒸發(fā)過程，而且實驗條件也很難觀測到液滴內(nèi)部流場等分布。對于液滴蒸發(fā)過程的數(shù)值模擬研究，多采用氣液相分開建模的方法。因此有必要采用氣液兩相流數(shù)值模擬方法對燃油液滴傳熱傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行研究。
　　本文首先建立了基于氣液兩相流VOF方法的燃油液滴蒸發(fā)大渦模擬數(shù)學(xué)模型。實現(xiàn)了燃油液滴蒸發(fā)過程的氣液兩相流聯(lián)合模擬，彌補(bǔ)了常

3、規(guī)數(shù)值模擬方法無法考慮液滴形狀變化以及氣相與液相分開模擬等缺陷，為采用數(shù)值方法模擬液滴的蒸發(fā)過程提供了一種研究方法。針對Marangoni效應(yīng)普遍存在于兩相流中的現(xiàn)象，在基于氣液兩相流VOF方法的燃油液滴蒸發(fā)數(shù)值模擬中，考慮了由表面張力梯度引起的Marangoni效應(yīng)。將Marangoni效應(yīng)簡化為一種相界面處的體積力，得出了基于VOF方法并考慮表面張力與溫度關(guān)系的Marangoni效應(yīng)作用力計算公式，并將Marangoni效應(yīng)添加到氣

4、液兩相流液滴蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型中。研究了Marangoni效應(yīng)對燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質(zhì)特性的影響。
　　由于在直噴式柴油機(jī)的缸內(nèi)環(huán)境中，燃油液滴的蒸發(fā)過程受到溫度、壓力、湍流等環(huán)境因素的影響。為了深入地了解燃油液滴蒸發(fā)過程中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理，研究了環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、雷諾數(shù)和湍流脈動等不同環(huán)境因素對液相傳熱和氣液相傳質(zhì)的影響，探討了不同環(huán)境因素對液滴傳熱傳質(zhì)特性的影響關(guān)系。
　　現(xiàn)有的燃油液滴蒸發(fā)速率模型在液滴蒸發(fā)相關(guān)計算中廣泛使

5、用，如噴霧燃燒等工程應(yīng)用中。此模型的基本假設(shè)為液滴始終保持圓球的形狀，因此其面積或體積等相關(guān)計算都按照球體的計算公式獲得。然而在實際情況中，燃油液滴在蒸發(fā)過程中形狀不斷地發(fā)生變化。本文通過分析得出了影響液滴變形的關(guān)鍵因素和液滴表面積的變化規(guī)律，應(yīng)用回歸分析方法得出了液滴的表面積變化公式，并對燃油液滴蒸發(fā)速率模型進(jìn)行了修正。在整個計算周期內(nèi)，修正模型的結(jié)果都比原模型的結(jié)果更加接近于實驗值。這說明基于液滴變形的燃油蒸發(fā)速率修正模型，能夠更加

6、準(zhǔn)確地預(yù)測實驗值，比原蒸發(fā)速率模型有一定的改進(jìn)。
　　通過分析柴油機(jī)噴霧場中燃油液滴的分布情況，采用液滴陣列來近似噴霧場中的液滴分布情況，研究了液滴陣列蒸發(fā)過程中前液滴對后液滴傳熱傳質(zhì)的影響，不同液滴數(shù)陣列以及液滴間距對液滴傳熱傳質(zhì)的影響，對單液滴的努塞爾數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出基于液滴陣列的努塞爾數(shù)改進(jìn)公式。通過對比噴霧場中的燃油蒸氣分布的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，對基于液滴陣列的努塞爾數(shù)改進(jìn)公式進(jìn)行了驗證。
　　建立了能夠進(jìn)行溫度