LNG液态喷射中闪急沸腾出现的条件和传热传质机理研究

摘要

天然气具有丰富的全球储量和良好的燃烧性能，比石油、煤炭等燃料燃烧更加清洁、热值较高、使用更安全，发展前景极其广阔。针对现在天然气发动机存在的许多缺点，业界提出了LNG（液化天然气）液态喷射的概念，在一定条件下，当液态LNG喷入到大气环境中，会发生剧烈的闪急沸腾现象。由于闪急沸腾喷雾可以改善燃油雾化质量，对缸内混合气的形成十分有利，所以研究液态LNG的闪急沸腾喷雾具有非常重要的意义。
　　本文主要对 LNG液态喷射中闪急沸腾出现的条件和传热传质机理进行了数值模拟研究，主要研究内容和结论如下：
　　(1) LNG液态喷雾过程闪急沸腾条件数值模拟研究——在验证模型正确的基础上，首先解析了纯液态LNG在喷嘴内部的流动过程，利用其计算结果作为LNG喷雾计算的初始条件和边界条件，在此基础上，利用AVL Fire软件对LNG液态喷射的闪急沸腾喷雾过程进行模拟，详细分析喷雾发展的过程，并确定LNG液态喷射发生闪急沸腾现象的条件；研究结果表明：当环境压力处于[0.1,4.59]MPa区间时，只要环境压力小于液态LNG饱和蒸气压，均可发生闪急沸腾现象；当环境压力大于4.59MPa时，不论液态LNG温度如何变化，都不能发生闪急沸腾现象；LNG闪急沸腾喷雾形状始终保持为类圆锥体，但并不完全对称，在发展过程中，液滴直径迅速减小，喷雾前端会形成涡旋结构，随后，该结构破碎、消失；
　　(2)不同参数对LNG闪急沸腾喷雾特性的影响研究——分别研究了液态LNG温度、喷射压力和缸内环境压力对LNG闪急沸腾喷雾特性的影响，总结分析了各参数对喷雾贯穿距、索特粒子平均直径、喷雾锥角及燃油蒸发表面积的影响规律，最后对柴油与LNG喷雾过程进行了比较分析；计算研究表明：随着喷射压力的提高，LNG闪急沸腾喷雾贯穿距越来越大，索特平均直径减小，闪急沸腾喷雾锥角逐渐增大，燃油蒸发表面积增大；保证其他条件不变，升高液态LNG温度，减小缸内环境压力，闪急沸腾现象更加剧烈，提高了雾化质量。在相同初始喷射条件下，LNG闪急沸腾喷雾锥角大于柴油常规喷雾，贯穿距、液滴直径小于柴油常规喷雾，LNG的雾化质量明显好于柴油喷雾，有利于均匀混合气的快速形成；
　　(3) LNG在闪急沸腾条件下气泡生长数值模拟研究——在一维气泡生长模型的基础上，利用Fortran语言编写了LNG闪急沸腾条件下气泡生长计算程序，在验证该程序准确性的基础上，利用该计算程序详细讨论了LNG气泡生长过程以及温度扰动、液态LNG温度及环境压力对闪急沸腾条件下LNG气泡的生长过程的影响规律；研究结果表明：根据LNG气泡生长的加速度变化规律将气泡生长过程划分为表面张力控制阶段、过渡阶段、传热控制阶段三个阶段，不同阶段LNG气泡生长表现出不同的特点；温度扰动取值的大小只对LNG气泡初始阶段生长过程造成一定影响，对之后的气泡生长过程以及最终的收敛结果并不产生影响；环境压力对 LNG气泡生长过程的影响和LNG温度对气泡生长过程的影响相反，二者都可表征为过热度对LNG气泡生长的影响，并且LNG温度越大，环境压力越小，过热度就越大。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1选题的理论意义及实用价值

1.2天然气燃料的特性和分类

1.3 LNG闪急沸腾喷雾的基本原理

1.4国内外过热液体闪急沸腾喷雾的研究现状

1.5本文主要工作

第2章 LNG闪急沸腾喷雾数值计算基本方程和计算模型研究

2.1基本控制方程

2.2湍流扩散模型

2.3液滴破碎模型

2.4液滴蒸发模型

2.5 Nozzle File的激活

2.6本章小结

第3章 LNG液态喷雾过程闪急沸腾条件数值模拟研究

3.1 AVL_Fire软件简介

3.2计算网格模型的建立

3.3基本参数、初始条件与边界条件的设定

3.4模型有效性验证

3.5 LNG闪急沸腾喷雾结构及其发展过程数值研究

3.6 LNG液态喷雾过程闪急沸腾条件数值计算

3.7本章小结

第4章 喷射参数对LNG闪急沸腾喷雾特性的影响研究

4.1不同喷射压力对LNG闪急沸腾喷雾特性的影响

4.2不同液态LNG温度对闪急沸腾喷雾特性的影响

4.3不同环境压力对LNG闪急沸腾喷雾特性的影响

4.4柴油常规喷雾和LNG闪急沸腾喷雾的比较

4.5本章小结

第5章 LNG在闪急沸腾条件下气泡生长数值模拟研究

5.1气泡生长的一维模型

5.2 LNG热物性参数的计算

5.3计算结果及分析

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢