正丁醇/柴油混合燃料喷雾特性的数值模拟与试验研究

摘要

醇类燃料是具有发展潜力的内燃机清洁替代燃料，其物理和化学特性对柴油机可燃混合气的形成、燃烧过程及污染物的排放有较大的影响。
　　以正丁醇/柴油混合燃料为研究对象，开展了不同正丁醇掺混比的混合燃料喷雾特性的试验研究，建立了正丁醇/柴油混合燃料多维喷雾模型，对喷雾过程进行了仿真，分析了正丁醇掺混比对混合燃料喷雾特性的影响。
　　开展了不同正丁醇掺混比的混合燃料理化特性试验。分析了正丁醇掺混比对混合燃料的密度、粘度、表面张力等与燃料雾化性能相关的理化特性参数的影响。结果表明，随着正丁醇掺混比的增加，混合燃料的密度、粘度、表面张力下降。正丁醇掺混比越高的混合燃料在某一相同馏出率下对应的温度越低。与柴油相比，混合燃料的闪点明显下降。
　　搭建了由Brilliant b-10激光器、高压共轨燃料喷射试验台和FlowSense EO2M CCD相机组成的激光测量系统。在常温常压的条件下，运用同步摄像技术测量了不同正丁醇掺混比的混合燃料喷雾特性参数。结果表明，混合燃料中正丁醇的掺混比越高，其喷雾锥角增加，喷雾贯穿距离减小。喷油压力对燃料喷雾的几何外形具有非常明显的影响。
　　在常温条件下，运用CFD软件建立了燃料单孔喷雾计算模型，模拟了柴油和正丁醇掺混比为10％、20％、40％的混合燃料的喷雾发展历程、贯穿距离、SMD和浓度分布。结果表明，在喷雾过程的初期，正丁醇掺混比对混合燃料喷雾贯穿距离的影响并不明显，随后影响逐渐显著。混合燃料中正丁醇的掺混比例上升，其SMD降低，喷注液相浓度的分布更加均匀。
　　考察了环境背压、喷油压力、喷孔直径、燃料温度对正丁醇/柴油混合燃料喷雾特性的影响。结果表明，随着环境背压的升高，混合燃料的喷雾贯穿距离明显下降，喷注的液相最高浓度明显上升。提高喷油压力会促进喷雾液滴的破碎，SMD显著降低。喷孔直径的减小会导致混合燃料的SMD下降，喷注的轴向和径向扩展能力受到削弱。燃料温度升高对混合燃料的喷雾贯穿距离影响不大，但是可以显著地降低混合燃料的SMD，喷注的液相最高浓度下降。
　　根据186F柴油机及喷油系统的结构参数，建立了正丁醇/柴油混合燃料的缸内喷雾计算模型，模拟了不同掺混比正丁醇/柴油混合燃料缸内混合气的形成过程。结果表明，在缸内喷雾过程的后期，即活塞运行至上止点附近时，不同正丁醇掺混比的混合燃料喷雾贯穿距离和SMD趋于一致。正丁醇掺混比越高的混合燃料在缸内的蒸发性能越好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 丁醇及其研究现状

1．2．1 生物发酵法制备丁醇

1．2．2 丁醇在内燃机上的应用

1．3 喷雾过程的研究

1．3．1 燃料喷雾结构

1．3．2 试验研究方法

1．3．3 喷雾数值模拟

1．4 本文的主要研究工作

第二章 正丁醇／柴油混合燃料理化特性分析

2．1 与雾化性能相关的理化特性参数和评定指标

2．1．1 影响燃料雾化过程的理化特性参数

2．1．2 雾化过程的主要评定指标

2．2 正丁醇和柴油理化特性的比较

2．2．1 密度和粘度

2．2．2 表面张力

2．2．3 馏程和闪点

2．3 本章小结

第三章 正丁醇／柴油喷雾特性的试验研究

3．1 喷雾试验设备

3．1．1 高压共轨试验台

3．1．2 激光器

3．1．3 CCD相机与Dynamic studio图像系统平台

3．2 喷雾特征参数的定义和试验方案的确定

3．3 试验结果与分析

3．3．1 喷雾形态

3．3．2 喷雾贯穿距离

3．3．3 喷雾锥角

3．4 本章小结

第四章 常温条件下正丁醇／柴油喷雾过程的数值模拟

4．1 喷雾模型的建立及验证

4．2 正丁醇掺混比例对喷雾特性的影响

4．3 喷雾过程影响因素的分析

4．3．1 环境背压

4．3．2 喷油压力

4．3．3 喷孔直径

4．3．4 燃料温度

4．4 本章小结

第五章 正丁醇／柴油缸内喷雾特性分析

5．1 缸内喷雾计算模型的确立

5．1．1 燃烧室网格的划分

5．1．2 数理模型的确定

5．1．3 仿真方案

5．1．4 计算条件

5．2 仿真结果与分析

5．2．1 喷雾贯穿距离和SMD

5．2．2 燃料的蒸发特性

5．2．3 速度场

5．2．4 液滴数密度

5．2．5 温度场

5．3 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文、参与项目、所获奖励