燃油液滴蒸发过程传热传质机理的数值模拟与实验研究

摘要

对于直喷式柴油机来说，燃油的喷射、雾化、蒸发和燃烧过程非常重要，燃油液滴的蒸发过程和燃油蒸气的空间分布很大程度上决定了直喷式柴油机的燃烧特性，从而进一步影响其总体性能。因此有必要开展燃油液滴蒸发过程传热传质机理的研究。
　　本文以直喷式柴油机燃油液滴的蒸发过程为研究背景，将燃油液滴蒸发过程中传热传质机理作为研究重点，采用数值模拟、理论分析与实验方法进行了研究。
　　由于实验条件和数值模拟方法的限制，目前对于燃油液滴蒸发过程传热传质机理的认识并不完善。对于存在液滴蒸发过程等工程应用中，多采用经验公式进行研究。然而现有的经验公式并不能准确地模拟液滴的蒸发过程，而且实验条件也很难观测到液滴内部流场等分布。对于液滴蒸发过程的数值模拟研究，多采用气液相分开建模的方法。因此有必要采用气液两相流数值模拟方法对燃油液滴传热传质机理进行研究。
　　本文首先建立了基于气液两相流VOF方法的燃油液滴蒸发大涡模拟数学模型。实现了燃油液滴蒸发过程的气液两相流联合模拟，弥补了常规数值模拟方法无法考虑液滴形状变化以及气相与液相分开模拟等缺陷，为采用数值方法模拟液滴的蒸发过程提供了一种研究方法。针对Marangoni效应普遍存在于两相流中的现象，在基于气液两相流VOF方法的燃油液滴蒸发数值模拟中，考虑了由表面张力梯度引起的Marangoni效应。将Marangoni效应简化为一种相界面处的体积力，得出了基于VOF方法并考虑表面张力与温度关系的Marangoni效应作用力计算公式，并将Marangoni效应添加到气液两相流液滴蒸发数学模型中。研究了Marangoni效应对燃油液滴蒸发过程传热传质特性的影响。
　　由于在直喷式柴油机的缸内环境中，燃油液滴的蒸发过程受到温度、压力、湍流等环境因素的影响。为了深入地了解燃油液滴蒸发过程中的传热传质机理，研究了环境温度、环境压力、雷诺数和湍流脉动等不同环境因素对液相传热和气液相传质的影响，探讨了不同环境因素对液滴传热传质特性的影响关系。
　　现有的燃油液滴蒸发速率模型在液滴蒸发相关计算中广泛使用，如喷雾燃烧等工程应用中。此模型的基本假设为液滴始终保持圆球的形状，因此其面积或体积等相关计算都按照球体的计算公式获得。然而在实际情况中，燃油液滴在蒸发过程中形状不断地发生变化。本文通过分析得出了影响液滴变形的关键因素和液滴表面积的变化规律，应用回归分析方法得出了液滴的表面积变化公式，并对燃油液滴蒸发速率模型进行了修正。在整个计算周期内，修正模型的结果都比原模型的结果更加接近于实验值。这说明基于液滴变形的燃油蒸发速率修正模型，能够更加准确地预测实验值，比原蒸发速率模型有一定的改进。
　　通过分析柴油机喷雾场中燃油液滴的分布情况，采用液滴阵列来近似喷雾场中的液滴分布情况，研究了液滴阵列蒸发过程中前液滴对后液滴传热传质的影响，不同液滴数阵列以及液滴间距对液滴传热传质的影响，对单液滴的努塞尔数进行改进，提出基于液滴阵列的努塞尔数改进公式。通过对比喷雾场中的燃油蒸气分布的数值模拟结果与实验结果，对基于液滴阵列的努塞尔数改进公式进行了验证。
　　建立了能够进行温度闭环控制的高温环境液滴蒸发实验系统。系统地分析了不同组分燃油液滴随环境温度变化的蒸发特性，不同组分燃油液滴蒸发特性的区别，以及不同组分混合液滴的蒸发特性。并利用燃油液滴蒸发实验得到的结果，进一步对燃油液滴蒸发的数值模型进行了验证。

目录

声明

致谢

摘要

变量符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 燃油液滴蒸发的国内外研究现状

1．2．1 燃油液滴蒸发过程的研究方法

1．2．2 液滴蒸发气液相模型的划分

1．2．3 影响燃油液滴蒸发过程的因素分析

1．2．4 液滴蒸发相界面的边界层分析

1．2．5 单液滴蒸发的实验研究

1．2．6 Marangoni效应的研究

1．2．7 国内外研究存在的问题

1．3 本文的主要研究内容

2 基于LES-VOF的燃油液滴蒸发数值方法与模型建立

2．1 引言

2．2 大涡模拟湍流模型

2．2．1 Navier-Stokes方程的滤波函数

2．2．2 亚格子尺度模型

2．3 基于气液两相流VOF方法的液滴蒸发数学模型

2．3．1 VOF方法

2．3．2 流体基本控制方程及液滴蒸发源项

2．3．3 两相流界面捕捉方法

2．3．4 空间离散方法

2．3．5 燃油液滴蒸发速率源项

2．4 气液两相流液滴蒸发数值模型的计算设置

2．4．1 初始条件

2．4．2 计算域设置

2．4．3 边界条件设置

2．5 燃油液滴蒸发多维数值模型的验证

2．5．1 网格独立性验证

2．5．2 数值模拟结果的验证

2．6 燃油液滴蒸发的物性参数

2．7 本章小结

3 燃油液滴蒸发过程Marangoni效应及液相传热机理的研究

3．1 引言

3．2 燃油液滴蒸发过程中Marangoni效应的研究

3．2．1 燃油液滴蒸发过程中Marangoni效应的引入

3．2．2 考虑Marangoni效应的燃油液滴蒸发数学模型

3．2．3 Marangoni效应对液滴内部流场的影响

3．2．4 Marangoni效应与液滴传热传质的关系

3．3 燃油液滴蒸发过程中液相传热机理的研究

3．3．1 液滴蒸发过程中液相传热的变化

3．3．2 气液相温度差对液相传热的影响

3．3．3 雷诺数对液相传热的影响

3．3．4 湍流脉动对液相传热及液滴内部流场的影响

3．4 燃油液滴蒸发液相传热理论模型的研究

3．4．1 燃油液滴蒸发一维模型的建立

3．4．2 经典液相传热理论模型的分析

3．5 本章小结

4 燃油液滴蒸发过程中传质机理的研究

4．1 引言

4．2 燃油液滴蒸发传质过程的研究

4．2．1 液滴蒸发过程中的传质过程分析

4．2．2 温度差与雷诺数对液滴传质过程的影响

4．2．3 湍流脉动对液滴传质过程的影响

4．3 Stefan流对燃油液滴蒸发传质过程的影响

4．3．1 Stefan流对燃油液滴蒸发速率的阻碍作用分析

4．3．2 Stefan流与传质数的关系分析

4．3．3 不同环境因素对Stefan流的影响

4．4 液滴蒸发气相传热传质模型的分析

4．4．1 层流环境中的气相传热传质模型分析

4．4．2 湍流环境中的气相传热传质模型分析

4．5 燃油液滴蒸发速率模型的修正

4．5．1 液滴蒸发过程中考虑液滴变形的原因

4．5．2 影响液滴变形的关键因素分析

4．5．3 考虑液滴变形的燃油液滴蒸发速率模型修正

4．5．4 液滴蒸发速率修正模型的验证及分析

4．6 本章小结

5 燃油液滴阵列及喷雾场液滴蒸发机理研究

5．1 引言

5．2 液滴阵列的蒸发机理研究

5．2．1 双液滴阵列的蒸发过程研究

5．2．2 多液滴阵列的蒸发过程研究

5．2．3 不同环境因素对燃油液滴蒸气尾流的影响

5．2．4 液滴间距对液滴阵列蒸发过程的影响

5．2．5 液滴阵列的努塞尔数改进公式

5．3 喷雾场液滴蒸发过程的研究

5．3．1 喷雾场液滴分布的分析

5．3．2 液滴阵列努塞尔数的验证

5．4 本章小结

6 燃油液滴蒸发过程的实验研究

6．1 引言

6．2 燃油液滴蒸发实验系统

6．2．1 实验系统的设计

6．2．2 实验系统的组成

6．3 单组分液滴蒸发特性的研究

6．3．1 柴油液滴的蒸发特性

6．3．2 正庚烷液滴的蒸发特性

6．3．3 十六烷液滴的蒸发特性

6．4 二元组分液滴蒸发特性的研究

6．5 燃油液滴蒸发多维数值模型的实验验证

6．6 本章小结

7 结论

7．1 主要工作及结论

7．2 本文的创新点

7．3 工作展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集