基于乙醇柴油單液滴蒸發(fā)和湍流擴散模型的噴霧和燃燒過程研究.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，實現(xiàn)“油、氣、室”三者的優(yōu)化匹配。圍繞多組分燃料的物性計算、乙醇柴油單液滴蒸發(fā)模型和傳質(zhì)傳熱過程分析以及湍流擴散燃燒模型等基礎(chǔ)理論開展研究，改進內(nèi)燃機缸內(nèi)流

2、體動力學(xué)仿真軟件(ICFD-CN)燃料物性參數(shù)庫、霧化燃燒相關(guān)模塊，運用FORTRAN語言編寫底層代碼，構(gòu)建多組分燃料霧化燃燒仿真平臺，利用激光噴霧試驗和臺架試驗驗證了仿真平臺的可靠性。以YZ4102ZLQ柴油機為對象，結(jié)合數(shù)值模擬和試驗開展了乙醇柴油燃料特性對霧化燃燒過程影響機理的研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)開展混合燃料物性參數(shù)實時動態(tài)計算。對于乙醇柴油來說，液滴在蒸發(fā)過程中各組分質(zhì)量分數(shù)在不斷發(fā)生變化，需采用經(jīng)驗公式計算物

3、性參數(shù)。選取經(jīng)驗公式預(yù)測對十四烷、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散系數(shù)，對比計算值與參考值，根據(jù)兩者的差異，對液體熱導(dǎo)率和粘度的經(jīng)驗公式進行修正，使其估算精度進一步提高。
　　(2)構(gòu)建多組分燃料乙醇柴油單液滴蒸發(fā)模型，開展燃料特性對蒸發(fā)過程的影響分析。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，提出應(yīng)用曲線蒸餾模型同時耦合沸騰蒸發(fā)模型描述乙醇柴油單液滴蒸發(fā)時傳質(zhì)傳熱過程，借助文獻驗證模型的可行性。結(jié)合柴油機邊界條件，獲得燃料特性對液滴蒸發(fā)時傳質(zhì)傳熱過程的影響規(guī)律。
　　(3)采用具有很強的工程應(yīng)用前景的火焰面模型計算柴油機湍流擴散燃燒速率。針對乙醇柴油多組分燃料的特點，增加控制方程，擴展火焰面模型基礎(chǔ)方程，使其能計算乙醇柴油湍流擴散燃燒速率。

5、
　　(4)基于ICFD-CN，搭建多組分燃料乙醇柴油的霧化燃燒平臺。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ICFD-CN軟件中fuel、evap、colide、lawall、chem和chemeq等模塊中物性值計算代碼;②耦合構(gòu)建的多組分燃料蒸發(fā)模型，編寫蒸發(fā)代碼，替代ICFD-CN原有evap蒸發(fā)模塊，修改其它輔助計算霧化蒸發(fā)的子模塊相關(guān)代碼;③進一步耦合包含CO、CO2生成的兩步動力學(xué)反應(yīng)預(yù)混合燃燒模型以及構(gòu)建的

6、多組分燃料擴散燃燒模型，編寫程序，改進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。以YZ4102ZLQ柴油為對象，利用激光噴霧試驗和臺架試驗驗證噴霧形態(tài)、缸內(nèi)壓力以及NOx排放。結(jié)果表明，計算值與實驗吻合良好，可進一步應(yīng)用于乙醇柴油發(fā)動機霧化燃燒過程的數(shù)值研究。該平臺的構(gòu)建，解決了原ICFD-CN軟件不能預(yù)測乙醇柴油多組分燃料霧化燃燒過程的局限，對于由理化性質(zhì)差異較大組成的混合燃料的燃燒過程仿

7、真，具有重要的參考價值。
　　(5)分析乙醇柴油燃料特性對噴射和霧化過程的影響規(guī)律。測量柴油機燃用十四烷和N5E10時高壓油管嘴泵端壓力，分析并獲得燃料特性對高壓油管內(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)對液滴半徑敏感性、缸內(nèi)燃油蒸發(fā)速率、氣相流場和噴霧演變的影響，得出燃用乙醇柴油時會增加燃油射流產(chǎn)生的平衡區(qū)渦團脈動，同時探明缸內(nèi)N5E10燃油霧化效果優(yōu)于十四烷的根本

8、原因。
　　(6)利用臺架試驗，開展乙醇柴油發(fā)動機的燃燒和排放特性對助溶劑感受性研究。獲得燃用乙醇柴油/柴油時氣缸壓力、放熱率、預(yù)混合和擴散燃燒持續(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，擴散燃燒期縮短，燃燒重心更加向上止點靠近。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，助溶劑種

9、類對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)量分數(shù)進一步增加。
　　(7)利用構(gòu)建的仿真平臺，數(shù)值分析乙醇柴油燃料特性對燃燒過程的影響規(guī)律。獲得燃料特性對燃油質(zhì)量蒸發(fā)速率、混合氣分布、燃料濃度場、溫度場、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)形狀由狹長型過渡為塊狀分布。燃用