液态燃料闪蒸雾化实验与数值模拟研究

摘要

随着日益严重的能源危机和环境污染问题，污染物排放标准也日趋严格，降低污染物排放已成为高性能燃气轮机的必备要求。而燃油雾化质量作为燃气轮机燃烧室最重要的性能指标之一，具有很重要的研究意义。按是否过热可分为液体射流破碎雾化和闪蒸雾化。其中闪蒸雾化过程涉及低挥发分物质气化并在液滴内产生气泡，增加了气液两相作用，强化了液滴破碎，可有效改善发动机燃烧特性。 由于目前对于闪蒸雾化机理和各影响控制因素缺乏系统研究。本文对两种液态燃料的闪蒸雾化特性进行研究，首先实验研究了水/乙醇溶液闪蒸雾化宏观形态和粒度特性。由于不同种类燃料闪蒸喷雾具有相似性，参照实验结果，采用数值模拟分析研究了柴油闪蒸雾化特性以及对燃烧室燃烧特性的影响规律。主要工作内容如下: (1)设计并搭建闪蒸雾化实验台，对比分析闪蒸雾化与普通雾化的喷雾形态。结果发现:闪蒸雾化主要作用在一定范围内，喷雾液滴分布存在清晰的高、低浓度分界，即喷雾近场液滴分布稀疏，距离喷嘴越远液滴越多，并且喷雾束由空心圆锥变为实心锥。 (2)利用激光粒度仪测量水/乙醇溶液发生闪蒸时的喷雾粒径，对比分析喷射温度、喷射压力、掺混比例等因素对闪蒸雾化的影响，结果发现:增大喷射压力、提高燃油温度、增加掺混比例都可以强化闪蒸雾化效果，获得更均匀细化的雾场。 (3)通过数值模拟对柴油闪蒸雾化规律和燃烧特性进行研究。结果表明:柴油闪蒸雾化喷雾束前端和边缘分布低浓度的燃油，尾部形成高浓度燃油区。将闪蒸雾化应用到燃烧室中，增大燃油蒸发量，降低了主燃区的最高温度，但由于闪蒸雾化“微爆效应”增大气液扰动，高温区分布不对称。