基于乙醇柴油单液滴蒸发和湍流扩散模型的喷雾和燃烧过程研究

摘要

随着石油供需矛盾的不断加剧，代用清洁燃料的研究越来越受到重视。乙醇是一种可再生的清洁含氧燃料，借助助溶剂制备乙醇柴油，具有广阔的应用前景。随着柴油机向着高效、清洁和低CO2排放发展，需要深入了解多组分燃料乙醇柴油在缸内雾化燃烧行为细节，利用燃料的理化性质协同燃烧边界优化控制燃烧路径，实现“油、气、室”三者的优化匹配。围绕多组分燃料的物性计算、乙醇柴油单液滴蒸发模型和传质传热过程分析以及湍流扩散燃烧模型等基础理论开展研究，改进内燃机缸内流体动力学仿真软件(ICFD-CN)燃料物性参数库、雾化燃烧相关模块，运用FORTRAN语言编写底层代码，构建多组分燃料雾化燃烧仿真平台，利用激光喷雾试验和台架试验验证了仿真平台的可靠性。以YZ4102ZLQ柴油机为对象，结合数值模拟和试验开展了乙醇柴油燃料特性对雾化燃烧过程影响机理的研究。主要内容如下:
　　(1)开展混合燃料物性参数实时动态计算。对于乙醇柴油来说，液滴在蒸发过程中各组分质量分数在不断发生变化，需采用经验公式计算物性参数。选取经验公式预测对十四烷、乙醇和正丁醇的液体表面张力、蒸发焓、液体热导率、粘度、密度、饱和蒸气压、标准生成焓以及正丁醇蒸气在空气中扩散系数，对比计算值与参考值，根据两者的差异，对液体热导率和粘度的经验公式进行修正，使其估算精度进一步提高。
　　(2)构建多组分燃料乙醇柴油单液滴蒸发模型，开展燃料特性对蒸发过程的影响分析。液滴蒸发是缸内燃油雾化蒸发重要阶段，而乙醇柴油是由理化性质存在较大的组分构成，与柴油单液滴蒸发存在明显差异。根据缸内高温高压强旋流环境、高压喷射雾化液滴直径以及乙醇柴油理化性质的特点，提出应用曲线蒸馏模型同时耦合沸腾蒸发模型描述乙醇柴油单液滴蒸发时传质传热过程，借助文献验证模型的可行性。结合柴油机边界条件，获得燃料特性对液滴蒸发时传质传热过程的影响规律。
　　(3)采用具有很强的工程应用前景的火焰面模型计算柴油机湍流扩散燃烧速率。针对乙醇柴油多组分燃料的特点，增加控制方程，扩展火焰面模型基础方程，使其能计算乙醇柴油湍流扩散燃烧速率。
　　(4)基于ICFD-CN，搭建多组分燃料乙醇柴油的雾化燃烧平台。①根据网格单元温度和压力，采用修正后的物性公式改进ICFD-CN软件中fuel、evap、colide、lawall、chem和chemeq等模块中物性值计算代码;②耦合构建的多组分燃料蒸发模型，编写蒸发代码，替代ICFD-CN原有evap蒸发模块，修改其它辅助计算雾化蒸发的子模块相关代码;③进一步耦合包含CO、CO2生成的两步动力学反应预混合燃烧模型以及构建的多组分燃料扩散燃烧模型，编写程序，改进chem、chemeq和rinput模块，从而构建多组分燃料乙醇柴油的雾化燃烧仿真平台。以YZ4102ZLQ柴油为对象，利用激光喷雾试验和台架试验验证喷雾形态、缸内压力以及NOx排放。结果表明，计算值与实验吻合良好，可进一步应用于乙醇柴油发动机雾化燃烧过程的数值研究。该平台的构建，解决了原ICFD-CN软件不能预测乙醇柴油多组分燃料雾化燃烧过程的局限，对于由理化性质差异较大组成的混合燃料的燃烧过程仿真，具有重要的参考价值。
　　(5)分析乙醇柴油燃料特性对喷射和雾化过程的影响规律。测量柴油机燃用十四烷和N5E10时高压油管嘴泵端压力，分析并获得燃料特性对高压油管内燃油压力波特性的影响规律。仿真围绕乙醇柴油燃料特性对连续射流初次雾化、液滴二次雾化、二次雾化特征参数对液滴半径敏感性、缸内燃油蒸发速率、气相流场和喷雾演变的影响，得出燃用乙醇柴油时会增加燃油射流产生的平衡区涡团脉动，同时探明缸内N5E10燃油雾化效果优于十四烷的根本原因。
　　(6)利用台架试验，开展乙醇柴油发动机的燃烧和排放特性对助溶剂感受性研究。获得燃用乙醇柴油/柴油时气缸压力、放热率、预混合和扩散燃烧持续期和热量分配、燃烧重心、常规排放以及颗粒物粒径分布特性等方面变化规律。与柴油相比，乙醇柴油预混合燃烧期缩短，预混合燃烧阶段放热量比例降低，扩散燃烧期缩短，燃烧重心更加向上止点靠近。乙醇柴油的NOx和不透光烟度降低，且N5E10效果更好。乙醇柴油的排放颗粒物分布向小粒径方向移动，助溶剂种类对乙醇柴油燃烧颗粒粒径分布有影响;与N5E10相比，B10E10燃烧颗粒小粒径的质量分数进一步增加。
　　(7)利用构建的仿真平台，数值分析乙醇柴油燃料特性对燃烧过程的影响规律。获得燃料特性对燃油质量蒸发速率、混合气分布、燃料浓度场、温度场、滞燃期和滞燃期形成可燃混合气数量、燃料燃烧速率以及燃烧过程中关键组分浓度的影响规律。十四烷中掺醇，燃烧稳定性得到改善，温度分布更加均匀，局部高温区减小，高温区形状由狭长型过渡为块状分布。燃用十四烷和N5E10时滞燃期以及滞燃期内形成的可燃混合气数量与燃烧始点判断方式有关。与十四烷相比，着火时刻N5E10缸内燃料瞬时燃烧速率略降低，预混合阶段质量燃烧速率与负荷有关，扩散阶段燃料燃烧速率提高。

目录

声明

摘要

论文符号表

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 乙醇柴油在柴油机应用的研究现状

1．2．1 乙醇柴油助溶剂的研究

1．2．2 乙醇柴油理化性质的研究

1．2．3 乙醇柴油的喷雾燃烧和性能的试验研究

1．2．4 乙醇柴油的喷雾燃烧过程仿真

1．3 多组分液滴蒸发模型的研究现状

1．3．1 液滴蒸发实验研究

1．3．2 液滴蒸发模型综述

1．4 柴油机湍流扩散燃烧速率计算方法的研究现状

1．4．1 无限快化学反应的直接混合分数概率密度函数方法

1．4．2 无限快化学反应的反应速率方法

1．4．3 有限化学反应的直接混合分数概率密度函数方法

1．4．4 基于有限速率化学反应的平均反应速率方法

1．5 课题主要研究内容及技术线路图

第二章 多组分燃料单液滴蒸发模型与传质传热过程分析

2．1 乙醇柴油物性参数估算

2．1．1 液体物性参数估算

2．1．2 正丁醇气体物性参数估算

2．1．3 混合燃料物性混合法则

2．2 多组分乙醇柴油单液滴的蒸发理论模型

2．2．1 正常蒸发模型

2．2．2 沸腾蒸发模型

2．3 模型可靠性验证及传质传热过程分析

2．3．1 模型可靠性验证

2．3．2 燃料特性对液滴蒸发时传质传热的影响分析

2．4 本章小结

第三章 基于火焰面模型的多组分燃料湍流扩散燃烧模型的构建

3．1 湍流扩散燃烧的层流火焰面理论及模型

3．1．1 混合分数和被动标量

3．1．2 z空间内的火焰结构

3．1．3 稳态火焰面假设

3．1．4 定密度无限快反应的稳态一维拉伸扩散火焰

3．2 基于层流火焰面模型的湍流扩散燃烧模型的构建

3．2．1 火焰结构分析

3．2．2 β-pdf积分

3．2．3 混合分数的Favre时均值(Z)及其脉动均方值(ZW2)的输运方程

3．2．4 当量标量耗散项

3．2．5 湍流燃烧速率计算流程图

3．3 本章小结

第四章 多组分燃料喷雾燃烧仿真平台的构建与验证

4．1 仿真平台的子模块控制方程介绍及改进

4．1．1 气相控制方程组

4．1．2 喷雾控制方程

4．1．3 液相控制方程及数值解法

4．1．4 燃烧控制方程

4．1．5 NO排放控制方程

4．1．6 边界条件和初始条件的控制方程

4．2 仿真平台子模块控制方程的时空离散

4．2．1 时间离散

4．2．2 空间离散

4．3 多组分燃料的雾化燃烧过程仿真平台搭建

4．3．1 多组分燃料喷雾燃烧平台总体介绍

4．3．2 平台底层代码主要子模块功能介绍及改进的模块说明

4．4 仿真平台验证

4．4．1 YZ4102ZLQ柴油机燃烧室网格划分

4．4．2 雾化燃烧仿真平台的验证

4．5 本章小结

第五章 基于仿真平台的乙醇柴油的喷射与雾化过程分析

5．1 喷射过程分析

5．1．1 不同燃油的绝热压缩性能

5．1．2 弹性模量对喷油时刻的影响

5．1．3 不同燃料的油管内压力变化

5．1．4 工况对嘴端油管压力的影响

5．2 燃料特性对连续射流初次雾化和液滴二次雾化的影响分析

5．2．1 对初次雾化的影响

5．2．2 对液滴二次雾化的影响

5．2．3 二次雾化特征参数对液滴半径敏感性分析

5．3 燃料特性对蒸发率和混合气分布的影响

5．3．1 对蒸发速率的影响

5．3．2 对混合气分布的影响

5．4 燃料特性对气相流场和燃油喷雾演变的影响

5．4．1 对缸内气流运动的影响

5．4．2 对燃油喷雾演变的影响

5．5 本章小结

第六章 基于仿真平台的乙醇柴油燃烧过程分析

6．1 柴油机台架性能试验

6．1．1 燃料制备及理化性质

6．1．2 试验设备及方案

6．1．3 燃烧过程分析

6．1．4 排放性能分析

6．2 燃料特性对燃油状态影响分析

6．2．1 燃油蒸发质量与速率

6．2．2 混合气分布

6．2．3 浓度场分布特性

6．3 燃料特性对缸内温度分布影响

6．3．1 缸内平均温度

6．3．2 缸内温度场

6．4 燃料特性对燃烧速率影响分析

6．4．1 燃料特性对滞燃期的影响

6．4．2 燃料特性对燃烧速率的影响

6．5 燃料特性对燃烧过程中反应组分变化影响规律

6．5．1 燃料氧化和排放物生成机理与关键组分的关系

6．5．2 反应物与生成物变化

6．5．3 关键组分变化规律

6．5．4 排放物NO和CO

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 创新点

7．3 工作展望

参考文献

致谢

读博士期间科研成果及所获奖励