含气柴油液滴蒸发及液滴撞壁特性的仿真研究

摘要

节能减排是汽车工业永恒的发展主题。燃油液滴的破碎、雾化和蒸发及其与空气的混合过程对于提高发动机经济性和改善排放具有重要意义。发展高效、低污染发动机技术的关键是改善燃油射流在发动机缸内的雾化和蒸发混合过程。含气液滴喷雾可显著改善发动机的燃烧及排放特性。论文以含气柴油单液滴为研究对象，开展了含气柴油液滴蒸发特性的研究;在考虑液滴蒸发特性的基础上，研究了柴油液滴撞击高温壁面的运动特性。研究工作可以深化液滴蒸发特性的研究，为燃油液滴更充分蒸发及与空气混合提供理论依据。
　　本文首先以气泡动力学理论、气泡生长一维模型为基础，编写模拟气泡生长过程的计算程序，对含气液滴内气泡的生长过程进行了研究;建立了含气柴油液滴蒸发二维模型，使用FLUENT软件对高温环境中含气柴油液滴生长、破碎及蒸发过程进行了研究，给出了环境温度、气泡初始半径及含气物性对含气液滴生长、破碎及蒸发过程的影响规律。
　　其次，开展了对流环境中含气柴油液滴蒸发及破碎过程的研究。分析了单相柴油液滴在对流环境中振荡变形、袋状破碎、多模式破碎和剪切破碎的变形过程和蒸发特性;对含气柴油液滴在高温对流环境中液滴形态变化及蒸发特性进行了研究;获得了环境温度、环境压力、气泡初始半径对含气柴油液滴破碎及蒸发特性的影响规律。
　　开展了常压条件下和超临界条件下柴油液滴蒸发特性的研究。分析了常压条件下液滴蒸发传热传质过程和环境温度、液滴初始温度、液滴初始直径对蒸发过程的影响规律;对超临界条件下的物性参数进行修正，模拟分析了超临界环境下柴油液滴的蒸发过程;获得了环境压力、环境温度、液滴初始温度及液滴初始直径对超临界环境下柴油液滴蒸发特性的影响规律。
　　最后，采用复合Level Set-VOF方法并考虑液滴蒸发传热影响开展了柴油液滴撞击高温壁面后反弹及破碎现象的研究。分析了液滴撞击高温壁面后发生的Leidenfrost现象;获得了壁面温度、液滴初始直径及撞击速度对柴油液滴撞击高温壁面后运动形态的影响规律，给出了柴油液滴撞击高温壁面运动状态发生转变的临界条件。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 溶气燃油喷雾的研究现状

1．2．2 液滴蒸发过程的研究现状

1．2．3 液滴撞击加热壁面的研究现状

1．3 研究内容

2 理论基础及数值模拟相关问题

2．1 相界面追踪方法

2．2 控制方程建立

2．3 物性参数及边界条件的确定

2．3．1 物性参数的确定

2．3．2 边界条件的确定

2．4 数值计算结果验证

2．5 本章小结

3 含气柴油液滴生长破碎及蒸发特性的研究

3．1 气泡生长的研究

3．1．1 一维气泡生长模型

3．1．2 数值方法

3．1．3 气泡生长过程分析

3．1．4 气泡生长过程影响因素分析

3．2 气泡破碎的研究

3．2．1 含气柴油液滴生长破碎过程分析

3．2．2 气泡初始半径对含气液滴生长破碎的影响

3．3 高温环境中含气柴油液滴生长破碎及蒸发特性的研究

3．3．1 高温环境中含气液滴生长破碎及蒸发过程分析

3．3．2 环境温度对含气液滴生长破碎及蒸发特性的影响

3．3．3 气泡初始半径对含气液滴生长破碎及蒸发特性的影响

3．3．4 气泡物性对含气液滴生长破碎及蒸发特性的影响

3．4 本章小结

4 对流环境中含气柴油液滴蒸发及破碎特性的研究

4．1 对流环境中单相液滴蒸发及破碎过程研究

4．1．1 单相液滴不同模式破碎过程分析

4．1．2 不同对流速度下单相液滴蒸发特性分析

4．2 对流环境中含气液滴蒸发及破碎过程研究

4．3 含气柴油液滴蒸发及破碎特性影响因素分析

4．3．1 环境温度对含气液滴蒸发及破碎特性的影响

4．3．2 环境压力对含气液滴蒸发及破碎特性的影响

4．3．3 气泡初始半径对含气液滴蒸发及破碎特性的影响

4．4 本章小结

5 常压及超临界环境下柴油液滴蒸发特性的研究

5．1 常压下柴油液滴的蒸发特性

5．1．1 液滴蒸发传热过程分析

5．1．2 液滴蒸发传质过程分析

5．1．3 液滴蒸发特性影响因素分析

5．2 超临界环境下柴油液滴蒸发模型的修正

5．2．1 实际气体状态方程

5．2．2 流体的物性参数计算

5．2．3 模型的验证

5．3 超临界环境下柴油液滴的蒸发特性

5．3．1 液滴蒸发过程分析

5．3．2 环境压力对液滴蒸发特性的影响

5．3．3 环境温度对液滴蒸发特性的影响

5．3．4 液滴初始温度对液滴蒸发特性的影响

5．3．5 液滴初始直径对液滴蒸发特性的影响

5．4 本章小结

6 柴油液滴撞击高温壁面运动特性的研究

6．1 液滴撞击高温壁面的理论基础

6．1．1 复合Level Set-VOF方法

6．1．2 Leidenfrost现象

6．1．3 无量纲数

6．2 液滴撞击高温壁面模型

6．2．1 物理模型

6．2．2 初始条件及边界条件的确定

6．2．3 模型验证

6．3 柴油液滴撞击高温壁面运动形态研究

6．4 柴油液滴撞击高温壁面影响因素分析

6．4．1 壁面温度对液滴撞击高温壁面运动特性的影响

6．4．2 液滴初始直径对液滴撞击高温壁面运动特性的影响

6．4．3 撞击速度对液滴撞击高温壁面运动特性的影响

6．5 液滴撞击高温壁面运动状态发生转变的临界条件

6．6 本章小结

7 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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