環(huán)境和燃油溫度對(duì)丁醇/柴油混合燃料噴霧影響的模擬分析

環(huán)境和燃油溫度對(duì)丁醇/柴油混合燃料噴霧影響的模擬分析

吳健，花陽(yáng)，王站成，徐斌，朱莉莉

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

摘要：根據(jù)噴霧可視化試驗(yàn)的結(jié)果，利用AVL Fire軟件建立了正丁醇柴油噴霧的計(jì)算模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。再利用該模型研究正丁醇柴油混合燃料的噴霧特性，模擬了油束的發(fā)展過(guò)程，計(jì)算了環(huán)境和燃油溫度對(duì)混合燃料噴霧特性的影響。研究結(jié)果表明：在背壓一定時(shí)，隨環(huán)境溫度的升高，油束初始速度增加，噴霧貫穿距增加，錐角減?。凰魈仄骄睆?SMD)先減小，在達(dá)到一定溫度后隨溫度升高，噴霧初期又有所增大，后期趨于一致；隨著燃油溫度升高，N25噴霧貫穿距逐漸減小， SMD在噴霧初期隨油溫增加逐漸減小，隨著噴霧的進(jìn)行逐漸趨于一致。

關(guān)鍵詞：正丁醇；柴油；噴霧特性；數(shù)值模擬；環(huán)境溫度；燃油溫度

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2013019)

作者簡(jiǎn)介：吳健(1959-),男,河南洛陽(yáng)人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)高效清潔燃燒及控制.

收稿日期：2014-09-04

文章編號(hào)：1672-6871(2015)01-0028-06

中圖分類號(hào)：TK464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著石油資源的日漸短缺以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料的研究顯得越發(fā)重要。丁醇作為替代燃料有很多優(yōu)勢(shì)。它能很好地與柴油互溶，生產(chǎn)簡(jiǎn)便，再生性強(qiáng)。丁醇的能量密度接近汽油，燃油經(jīng)濟(jì)性好，熱值較高，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能[1-2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)丁醇的研究主要集中在燃燒和排放方面[3-9]，有關(guān)其噴霧特性的研究很少。文獻(xiàn)[8]研究了4種丁醇摻燒比例的混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響；文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了丁醇體積比分別為8%和16%的丁醇柴油混合燃料的燃燒特性試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)有關(guān)燃料噴霧特性的模擬研究十分活躍。文獻(xiàn)[10]利用STAR-CD對(duì)定容室內(nèi)生物柴油的噴霧特性進(jìn)行了模擬研究；文獻(xiàn)[11]利用AVL-FIRE軟件對(duì)乙醇缸內(nèi)噴霧特性進(jìn)行了模擬研究。但目前噴霧的模擬研究大多與噴嘴內(nèi)流動(dòng)分開(kāi)進(jìn)行，將兩者耦合在一起研究噴霧的很少。本文利用AVL Fire軟件，分別建立噴嘴多相流模型和噴霧模型，并將噴嘴內(nèi)流動(dòng)和之后的霧化作為一個(gè)整體來(lái)研究噴霧特性[12-14]。這樣可以考慮到噴嘴內(nèi)流動(dòng)對(duì)噴霧的影響，更接近真實(shí)情況，并用噴霧可視化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。因此，借助于該模型,可以對(duì)丁醇/柴油混合燃料噴霧特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確和全面的計(jì)算分析。

1計(jì)算網(wǎng)格和相關(guān)模型

1.1　計(jì)算網(wǎng)格

為便于研究燃料的噴霧特性，本文選用噴孔直徑為0.13 mm,長(zhǎng)徑比為5的單孔噴油器。利用Solidworks建立噴嘴1/4的三維幾何模型，再利用FAME網(wǎng)格生成工具劃分噴嘴動(dòng)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為97 851。自由噴霧的模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)簡(jiǎn)化的φ80 mm×120 mm的圓柱體定容室，噴嘴設(shè)在頂面中心處。定容室的網(wǎng)格數(shù)目為153 600。

首先，進(jìn)行噴嘴內(nèi)氣液兩項(xiàng)流計(jì)算，考慮噴孔內(nèi)的空穴現(xiàn)象；再將噴嘴流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果作為初始和邊界條件；然后進(jìn)行噴霧模擬計(jì)算，這樣可以使正丁醇柴油噴霧的模擬計(jì)算更接近真實(shí)情況。計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　計(jì)算網(wǎng)格

1.2　相關(guān)模型和邊界條件

在噴嘴多相流的計(jì)算中，湍流模型選擇k-epsilon,壓力速度耦合選用Simple法。Fire的噴霧模型建立在離散液滴模型(DDM)之上，包括了液滴氣體的動(dòng)量交換、湍流擴(kuò)散、液滴的蒸發(fā)、破碎、碰撞和聚合等各種子模型。本文湍流模型選用k-epsilon，蒸發(fā)模型選用Multi-component。初次破碎模型選用Blob Injection，其必須基于噴嘴的流動(dòng)計(jì)算結(jié)果，液滴破碎是由噴孔內(nèi)湍流和流場(chǎng)中氣體動(dòng)力相互競(jìng)爭(zhēng)所致。破碎模型選用KHRT，液滴破碎是沿流動(dòng)方向擾動(dòng)波和液滴駐點(diǎn)位置所形成擾動(dòng)波兩種波的不穩(wěn)定增長(zhǎng)持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。粒子碰撞模型選用Schmidt，油滴兩兩碰撞，且對(duì)粒子進(jìn)行預(yù)排序，計(jì)算效率高[15]。

噴嘴內(nèi)流動(dòng)計(jì)算的入口和出口邊界均選用壓力邊界，入口設(shè)為噴油壓力，出口設(shè)為環(huán)境背壓。計(jì)算中保持入口壓力和出口壓力不變，入口壓力為120 MPa，出口壓力為2 MPa。定容室選用固定壁面邊界，環(huán)境介質(zhì)為空氣，壓力為2 MPa。

1.3　計(jì)算和試驗(yàn)所用燃料物性參數(shù)

試驗(yàn)選用純柴油(記為D100)和正丁醇添加體積比為10%的正丁醇柴油混合燃料(記為N10)，進(jìn)行噴霧可視化試驗(yàn)，根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果來(lái)標(biāo)定計(jì)算模型。模擬計(jì)算選用正丁醇體積比為25%的混合燃料(記為N25)，計(jì)算其在不同環(huán)境溫度和燃油溫度下的噴霧特性。正丁醇柴油混合燃料的物性參數(shù)由本實(shí)驗(yàn)室及黎明化工研究院檢測(cè)獲得，如表1所示。隨著正丁醇摻混比的增加，混合燃料的密度、運(yùn)動(dòng)黏度、表面張力均減小。

表1　混合燃料和柴油的物性參數(shù)

2結(jié)果及分析

2.1　模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

首先,將拍攝所得噴霧圖片利用Matlab圖片處理程序得到二值圖邊緣線；再利用Photoshop去除背景；最終得到透明背景的噴霧邊緣線，再將其疊合到模擬所得的油束圖像上，這樣可以更加直觀準(zhǔn)確地對(duì)比兩者的吻合程度。圖2為正丁醇柴油混合燃料N10試驗(yàn)的噴霧圖像邊緣與模擬的油束生長(zhǎng)過(guò)程的吻合程度的對(duì)比圖，時(shí)間間隔0.4 ms，從兩者油束邊緣來(lái)看，模擬的噴霧形態(tài)與試驗(yàn)的吻合較好。圖3為噴射壓力為120 MPa，環(huán)境背壓為2 MPa條件下，D100和N10試驗(yàn)與模擬的噴霧貫穿距對(duì)比圖。由圖3可見(jiàn)：模擬結(jié)果除個(gè)別點(diǎn)處與試驗(yàn)存在有少許誤差外，從整體看，與試驗(yàn)值較為吻合，誤差在5%以內(nèi)。因此，綜合油束形態(tài)和噴霧貫穿距的對(duì)比，可以保證該計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

圖2 試驗(yàn)與模擬的油束對(duì)比圖圖3 試驗(yàn)和模擬的貫穿距對(duì)比圖

2.2　環(huán)境溫度對(duì)噴霧特性的影響

在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧時(shí)，燃料是被噴射入高溫的燃燒室中，缸內(nèi)溫度對(duì)噴霧的影響較大[16]。因此，環(huán)境溫度對(duì)于丁醇噴霧特性影響的研究，對(duì)丁醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料來(lái)說(shuō)十分重要。本文研究定容室的自由噴霧形態(tài)，因此只改變環(huán)境溫度而保持其他條件不變。

圖4　不同環(huán)境溫度下N25油束生長(zhǎng)對(duì)比圖

2.2.1不同環(huán)境溫度下N25的油束生長(zhǎng)過(guò)程

圖4為通過(guò)模擬計(jì)算得到的不同時(shí)刻，正丁醇柴油混合燃料N25在環(huán)境溫度為373.15 K、473.15 K下的油束生長(zhǎng)過(guò)程的對(duì)比圖。從圖4中可以看出：兩種不同環(huán)境溫度下的油束外形差異較大，主要表現(xiàn)在噴霧貫穿距和噴霧錐角上。隨著環(huán)境溫度的升高，油束貫穿距逐漸變大，噴霧后期增加的趨勢(shì)尤為明顯；而噴霧錐角逐漸減小，在溫度達(dá)到473.15 K以后，錐角的減小幅度明顯增大，油束呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)[17]。

2.2.2不同環(huán)境溫度下N25的速度場(chǎng)

圖5為模擬計(jì)算得出的在環(huán)境溫度為293.15 K和473.15 K時(shí)，N25的速度場(chǎng)隨時(shí)間的變化。由圖5可見(jiàn)：473.15 K時(shí)速度場(chǎng)中心顏色較深，且深色部分的面積較大，這說(shuō)明油束中心的速度較高。這主要是因?yàn)楸疚牟捎玫氖抢硐霘怏w，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，在環(huán)境背壓和體積保持不變時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，環(huán)境介質(zhì)的密度減小，導(dǎo)致液滴受到的阻力減小，因此液滴的初始速度增大。

圖5　不同環(huán)境溫度下N25的速度場(chǎng)對(duì)比圖(單位：m/s)

由圖5還可見(jiàn)：每種環(huán)境溫度下，都是油束中心的速度最高，外圍速度較低。這是因?yàn)橛褪耐鈬粩嗯c周圍空氣發(fā)生卷吸等相互作用，這使得噴霧體前端液滴將空氣不斷向外擠出，導(dǎo)致油束外圍的能量交換速度較快，能量損失大；相比之下中心油束不直接與周圍氣體接觸，因此速度比外圍大。

圖6所示為噴油初始時(shí)刻0.2 ms時(shí)N25速度場(chǎng)局部放大圖，并從中選取a、b兩點(diǎn)(分別距噴孔前端10 mm,15 mm)。圖7分別為圖6中a、b兩點(diǎn)在環(huán)境溫度為293.15 K和473.15 K下的速度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6能明顯看出：473.15 K下a、b兩點(diǎn)的速度均高于293.15 K時(shí)。這表明隨著環(huán)境溫度的升高，a、b兩點(diǎn)的速度有所升高，周圍空氣的卷吸作用有所增強(qiáng)，從而會(huì)進(jìn)一步加快液滴的破碎和蒸發(fā)，有助于改善霧化。

圖6　N25局部速度場(chǎng)(單位：m/s)

2.2.3不同環(huán)境溫度下N25的液滴密度場(chǎng)

圖8為模擬計(jì)算得出的環(huán)境溫度為293.15 K和473.15 K下，不同時(shí)刻N(yùn)25油束的液滴密度場(chǎng)的對(duì)比。由圖8中可見(jiàn):在噴霧的任意時(shí)刻，293.15 K下的油束軸線附近的液滴密度較大區(qū)域均比473.15 K時(shí)的多；相比之下473.15 K時(shí)的液滴密度較大區(qū)域明顯較少。這是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的升高，液滴的蒸發(fā)加快，此外油束和周圍氣體的卷吸增強(qiáng)，導(dǎo)致液滴的破碎更加迅速，因此液滴的高密度區(qū)域減小。

圖7　圖6中a、b兩點(diǎn)的速度隨時(shí)間的變化

圖8　不同環(huán)境溫度下N25的液滴密度場(chǎng)(單位：kg/m 3)

2.2.4不同環(huán)境溫度下N25的噴霧貫穿距和索特平均直徑

圖9、圖10分別為噴射壓力為120 MPa,環(huán)境背壓為2 MPa條件下，N25在環(huán)境溫度為293.15 K、373.15 K、473.15 K、573.15 K、673.15 K和773.15 K時(shí)的噴霧貫穿距和索特平均直徑(SMD)的變化曲線。由圖9和圖10可見(jiàn)：隨著環(huán)境溫度的升高，噴霧貫穿距逐漸增大，但增幅并不大；SMD在溫度升高后，明顯降低，而后隨著溫度升高基本上保持不變。因?yàn)楸疚牟捎玫氖抢硐霘怏w，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，在環(huán)境背壓和體積保持不變時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，環(huán)境介質(zhì)的密度減小，導(dǎo)致液滴受到的阻力減小，氣液間的相對(duì)速度增大，因此表現(xiàn)為貫穿距增加[12]。

圖9 N25在不同環(huán)境溫度下的噴霧貫穿距圖 圖10 N25在不同環(huán)境溫度下的SMD

另一方面，環(huán)境溫度的升高，液滴表面溫度升高，表面張力減小，液滴破碎擴(kuò)散速度增加，蒸發(fā)速度加快，相應(yīng)的SMD就會(huì)減小；但當(dāng)溫度增加到一定程度后，噴霧初期的SMD隨溫度升高有所增加。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加氣缸內(nèi)的溫度可以有效改善燃料的霧化。

2.3　燃油溫度對(duì)噴霧特性的影響

隨燃油溫度的變化，燃油的物理屬性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，油溫也是影響燃油蒸發(fā)速度的一個(gè)重要因素。因此，研究燃油溫度對(duì)燃料噴霧特性的影響具有重要的意義[18]。

2.3.1不同燃油溫度下N25的油束生長(zhǎng)過(guò)程

圖11所示為環(huán)境壓力為2 MPa，環(huán)境溫度為293.15 K條件下，模擬計(jì)算得到的不同時(shí)刻正丁醇柴油混合燃料N25在燃油溫度為323.15 K、373.15 K下的油束生長(zhǎng)過(guò)程的對(duì)比圖。從圖11中可以看出：不同燃油溫度下油束的外形呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，油束形態(tài)的差異主要表現(xiàn)在噴霧貫穿距上，隨著燃油溫度的升高，油束貫穿距逐漸減小。主要是因?yàn)槿加蜏囟壬?，液滴的蒸發(fā)速度加快。由圖11中還可以看出：在不同燃油溫度下，油束的錐角變化不大。

圖11　不同油溫下N25油束生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比圖

2.3.2不同燃油溫度下N25的噴霧貫穿距和SMD

圖12、圖13分別為噴射壓力為120 MPa,環(huán)境背壓為2 MPa條件下，N25在油溫為293.15 K、323.15 K、353.15 K、383.15K時(shí)的噴霧貫穿距和SMD的變化曲線。由圖12可以看出：燃油N25隨著油溫升高，噴霧貫穿距離有逐漸縮短的趨勢(shì)。在噴油初始階段，4種油溫的貫穿距差別不明顯，此時(shí)的蒸發(fā)速度相當(dāng)，液滴動(dòng)量也相差不大，因此噴霧貫穿速度差別不明顯。但隨著噴油的進(jìn)行，油束前端的極細(xì)小液滴已經(jīng)汽化，燃油溫度越高其汽化速度越快，因此燃油溫度越高，蒸發(fā)速度越快，導(dǎo)致溫度高的燃油貫穿距離就會(huì)低于溫度低蒸發(fā)慢的燃油[11]。

由圖13可見(jiàn)：油溫高的燃油在噴霧初期噴入定容室的液滴SMD比油溫低的要小，但隨著噴霧的進(jìn)行，SMD逐漸趨于一致。由燃油的熱物理性質(zhì)可知：液體的黏度和張力都會(huì)隨著燃油溫度的升高而下降，液體間的緊密程度會(huì)降低，液滴的破碎就會(huì)更加容易，液滴SMD相應(yīng)就會(huì)減小，因此表現(xiàn)為隨著油溫升高，液滴的SMD減小。由此可知：適當(dāng)?shù)纳哂蜏乜梢愿纳迫剂系撵F化。

圖12 N25在不同油溫下的噴霧貫穿距圖 圖13 N25在不同油溫下的SMD

3結(jié)論

(1)利用AVL Fire建立的噴霧模型的計(jì)算結(jié)果從油束發(fā)展形態(tài)與噴霧貫穿距上均與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(2)背壓一定時(shí)，隨環(huán)境溫度的升高，N25油束中心速度增加，油束中心液滴密度降低，噴霧貫穿距增加，錐角減小。SMD隨環(huán)境溫度增大先明顯減小，而當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍后，隨溫度升高，在噴霧初期又有所增大，后期趨于一致。

(3)環(huán)境背壓和溫度不變時(shí)，隨著燃油溫度的升高，N25噴霧貫穿距逐漸減小，油束中心液滴密度降低。SMD在噴霧初期隨油溫增加逐漸減小，隨著噴霧的進(jìn)行逐漸趨于一致。

(4) 由模擬結(jié)果可知：適當(dāng)提高燃油溫度和環(huán)境溫度是改善燃料霧化的有效方法。

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