以多組分碳?xì)錇榛A(chǔ)的燃料液滴蒸發(fā)特性的研究

楊珠凱 張禮斌 趙洋洋 丁昊

摘要：建立了一種在對(duì)流熱空氣下蒸發(fā)兩組分燃料液滴的蒸發(fā)模型。分析了蒸發(fā)質(zhì)量、液滴壽命等參數(shù)隨燃料碳鏈長度、環(huán)境溫度、液滴半徑、摻混比等影響因素的變化規(guī)律。分析的結(jié)果是，隨著碳鏈長度，環(huán)境溫度，液滴半徑和混合比的增加，液滴的蒸發(fā)速率加快。

關(guān)鍵詞：多組分碳?xì)?燃料液滴;蒸發(fā)特性

0? 引言

目前，隨著石油資源的不斷消耗，我國面臨的主要能源問題是能源資源的不足與現(xiàn)有石油能源造成的重大環(huán)境污染。近年來，隨著家用汽車的普及，中國對(duì)石油的需求迅速增長。2015年，中國的石油需求量達(dá)到5.34億噸[1]，對(duì)外依存度接近60%。在眾多耗油量支出中，內(nèi)燃機(jī)是主要原因，年耗油量占中國年耗油量的50%以上。其中，最主要的則是柴油。柴油機(jī)和汽油機(jī)一樣，方便著我們的日常生活，尤其在出行、發(fā)電等方面運(yùn)用十分廣泛，但是使用柴油機(jī)也會(huì)帶來環(huán)境問題。柴油機(jī)排放的污染物主要包含了顆粒與氮氧化物，它們也是霧霾的主要組成，對(duì)人體健康造成了嚴(yán)重的危害[2]。目前，我國正處于環(huán)境污染與能源危機(jī)的雙重危害下，在此背景下，開發(fā)出一種新型清潔的柴油機(jī)的代用燃料則具十分重大的意義。

為了研究可燃混合物的形成，重要的是研究液滴的蒸發(fā)過程，這對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程具有重要影響。許多學(xué)者通過對(duì)單液滴蒸發(fā)燃燒過程的深入研究，認(rèn)為這對(duì)研究復(fù)雜噴霧燃燒過程的理論分析和數(shù)學(xué)建模有很大幫助。目前，由于條件的限制，通過實(shí)驗(yàn)研究液滴的蒸發(fā)過程非常困難。因此，對(duì)液滴的蒸發(fā)過程進(jìn)行理論研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。孫鳳等人[3]構(gòu)建了一個(gè)蒸發(fā)模型，該模型考慮了蒸發(fā)過程中溫度和壓力的瞬時(shí)變化對(duì)液滴及其周圍氣流特性的影響。李云清[4]基于狀態(tài)的真實(shí)氣體方程建立了單滴高壓蒸發(fā)模型[5]。目前，基于球形液滴蒸發(fā)理論的液滴蒸發(fā)模型是研究的主流，并且充分表達(dá)了研究蒸發(fā)過程中氣液表面變形，環(huán)境氣體流量和蒸汽成分分布等因素對(duì)液滴蒸發(fā)的影響，這是因?yàn)樯袩o可蒸發(fā)模型[6]。本文基于VOF法（流體體積法）建立了正十二烷液滴蒸發(fā)過程的數(shù)值模型。該模型充分考慮了由于兩相流，溫度變化和氣液兩相自由表面變形而產(chǎn)生的液滴蒸發(fā)。研究了正十二烷液滴在蒸發(fā)過程中的蒸發(fā)特性，例如直徑，溫度和蒸發(fā)速率，以及液滴內(nèi)部和環(huán)境中組分的流動(dòng)和分布。

使用典型的柴油燃料，例如正庚烷，正十二烷和正己醇，調(diào)節(jié)組成成分和混合比以提出偽輕油的多成分烴混合燃料和多成分烴燃料液體。建立了液滴蒸發(fā)模型，分析了環(huán)境因素，燃料成分和燃料特性對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響。

1? 液滴蒸發(fā)模型建立

在這一部分中，考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中液滴的蒸發(fā)特性，建立了包含兩種成分和一種對(duì)流熱空氣作為環(huán)境條件的燃料液滴蒸發(fā)模型。為了簡化模型，我們對(duì)此液滴蒸發(fā)模型做出了合理的假設(shè)：①液滴蒸發(fā)過程是在一種無限的介質(zhì)中進(jìn)行的;②液滴氣體溶解度為零，不考慮所有壓力擴(kuò)散的影響以及次要影響，例如Soret和Dufour對(duì)液滴蒸發(fā)的影響;③液滴內(nèi)部和外部的溫度相同，各處均是均勻的;④液滴內(nèi)部的物理性質(zhì)，如粘度，密度，擴(kuò)散系數(shù)，蒸氣壓，導(dǎo)熱系數(shù)，均是均勻的;隨時(shí)間變化。

1.1 質(zhì)量守恒

從標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的假設(shè)出發(fā)，可以通過以下公式計(jì)算液滴的總蒸發(fā)質(zhì)量速度：

上式中，為液滴質(zhì)量蒸發(fā)速率（kg/s），ρm為液滴密度（kg/m3），Dm為氣態(tài)燃料的擴(kuò)散系數(shù)，rs為液滴瞬時(shí)半徑（m），Sh*為修正的舍伍德數(shù)，BM為傳質(zhì)數(shù)。

1.2 組分守恒

由于組分是恒定的，因此液滴中特定組分的蒸發(fā)速率由下式給出：

式中，為液滴中第i種組分的質(zhì)量蒸發(fā)速率（kg/s），εi為液滴中第i種組分蒸發(fā)速率占液滴總蒸發(fā)速率的比例。

1.3 氣液界面能量平衡

通過分析亞穩(wěn)態(tài)，可以獲得液滴周圍的氣相溶液，并通過計(jì)算氣液界面處的平衡并假設(shè)該氣體為理想氣體，可以計(jì)算出氣液界面中不同組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。我們可以假設(shè)在界面處一定比例的i處于平衡狀態(tài)，則界面氣體一側(cè)的比例i的分壓（Pi）必然等于響應(yīng)液體溫度下的飽和分壓（Psat，i），即：

2? 結(jié)果分析

2.1 環(huán)境溫度對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響

為了分析環(huán)境溫度分別對(duì)正十六烷/正庚烷液滴與正十二烷/正庚烷液滴蒸發(fā)特性的影響，我們模擬了當(dāng)環(huán)境溫度T∞分別為400K，500K和600K時(shí)液滴的蒸發(fā)規(guī)律，其他初始條件均相同：環(huán)境壓力P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，初始液滴溫度Td0=300K，初始液滴半徑r0=10μm。從該圖可以明顯看出，與現(xiàn)實(shí)情況相同的是，環(huán)境溫度越高，液滴的蒸發(fā)速率越高。當(dāng)環(huán)境溫度為400K時(shí)，通過觀察液滴半徑隨時(shí)間的變化曲線可以清楚地看到，并且液滴蒸發(fā)的第一階段是圖中曲線的第一下降階段?？梢钥闯觯旱蔚陌霃秸谘杆贉p小;液滴蒸發(fā)的第二階段是圖中曲線的第二下降階段。與圖1-圖3的曲線相結(jié)合分析，不難看出：①在液滴蒸發(fā)的第一階段，庚烷和十六烷的蒸發(fā)，但是，由于庚烷的沸點(diǎn)低，因此蒸發(fā)速度快，而由于十六烷的沸點(diǎn)高，因此蒸發(fā)慢;②正庚烷幾乎在第一階段蒸發(fā)結(jié)束;③在第二階段，幾乎只有正十六烷的蒸發(fā)。圖1中的結(jié)果表明，隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，環(huán)境溫度越高，液滴的蒸發(fā)越有利。從圖2和圖3的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，十六烷和庚烷的蒸發(fā)更快，并且庚烷的蒸發(fā)量更高。

液滴蒸發(fā)的第一階段是正十二烷和正庚烷液滴曲線的第一下降階段，其中，液滴半徑明顯減小;曲線的第二個(gè)下降階段為第二階段。結(jié)合圖4-圖6，可以對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行如下分析：①正庚烷和正十二烷在液滴蒸發(fā)的第一階段都蒸發(fā)了;②當(dāng)液滴的表面溫度升高時(shí)，正庚烷的沸點(diǎn)較低，因此蒸發(fā)快并且正十二烷的沸點(diǎn)蒸發(fā)速度慢，是因?yàn)檎舭l(fā)速度高;③在第二階段，幾乎只有正十二烷的蒸發(fā)。從上面可以看出，由于燃料的蒸發(fā)和燃料的蒸發(fā)，燃料的蒸發(fā)特性是不同的，因此燃料的蒸發(fā)是不同的。蒸發(fā)時(shí)間的長度是不同的，并且它們被分為不同的蒸發(fā)結(jié)束時(shí)間。隨著時(shí)間的變化，液滴內(nèi)部各成分的比例不斷變化。圖4所示的結(jié)果表明，隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，液滴的表面溫度越高，液滴的蒸發(fā)越有利。圖5和圖6的結(jié)果表明，在第一階段中，伴隨著環(huán)境溫度的不斷上升，正十二烷和正庚烷都蒸發(fā)的非?？?，且正庚烷在的蒸發(fā)量遠(yuǎn)超于正十二烷。

2.2 液滴半徑

在這一部分中，觀察了具有不同初始半徑的液滴的蒸發(fā)特性，并分析了液滴初始半徑的變量對(duì)蒸發(fā)規(guī)律的影響。該部分僅改變液滴的初始半徑，而不改變其他初始條件。初始條件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，正十六烷與正庚烷質(zhì)量比k=3：7，液滴初始溫度Td，0=300K，液滴初始半徑r0分別為10μm、20μm、30μm。圖7是表示液滴的半徑的經(jīng)時(shí)變化的關(guān)系的圖，從圖中可以清楚地看到，液滴的初始半徑越大，蒸發(fā)所需的時(shí)間就越長，并且遵循一個(gè)客觀定律。每個(gè)液滴都具有完全相同的十六烷和庚烷混合物的比例，但是，隨著液滴初始半徑的增加，在蒸發(fā)的第一階段中，同一時(shí)間，液滴表面上的庚烷比例下降，而十六烷百分比上升。顯然，液滴的初始半徑越大，即液滴中十六烷的質(zhì)量越大。而且由于正十六烷的這一組分它的蒸發(fā)特性明顯弱于正庚烷，使得當(dāng)液滴開始蒸發(fā)時(shí)，正庚烷就快速的蒸發(fā);對(duì)于正十六烷和正庚烷混合液滴，由于正庚烷在第一蒸發(fā)階段內(nèi)的大量快速的蒸發(fā)會(huì)吸收大量的熱量，而這些熱量除了環(huán)境外，還有液滴表面熱量。這就導(dǎo)致了液滴表面溫度的上升速度必然很慢，二者結(jié)合就更減慢了正十六烷的蒸發(fā)速度，正十六烷主要集中在第二蒸發(fā)階段。

從圖10可以看出，正十二烷和正庚烷的液滴半徑越大，液滴中所含燃料的質(zhì)量就越大，這也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)時(shí)間成比例的增加。從圖11和圖12中可以看出，各直徑液滴中雖然具有完全相同的正十二烷與正庚烷摻混比，但是，當(dāng)液滴的初始半徑不斷增大時(shí)，在蒸發(fā)的第一階段，正十二烷的蒸發(fā)特性比正庚烷的蒸發(fā)特性弱，而當(dāng)液滴處于蒸發(fā)的早期時(shí)，正庚烷迅速蒸發(fā)。與正十六烷/正庚烷類似，在正十二烷/正庚烷混合液滴中，由于正庚烷在第一蒸發(fā)階段中蒸發(fā)，因此正十二烷的蒸發(fā)速率由于各種原因而變慢，并且十二烷主要在第二蒸發(fā)階段中蒸發(fā)。

2.3 摻混比

模擬了十六烷混合比為20%，30%和40%時(shí)，不同混合比對(duì)十六烷/庚烷燃料液滴蒸發(fā)特性的影響，因?yàn)槿剂匣旌媳鹊淖兓矔?huì)影響蒸發(fā)過程。模擬的初始條件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，液滴初期溫度Td，0=300K，液滴初期半徑r0=10μm。模擬結(jié)果如圖13所示。從圖14和圖15中可以看出，不同正十六烷摻混比時(shí)，正十六烷摻混比增加，液滴的蒸發(fā)時(shí)間延長。當(dāng)十六烷的混合比從20%增加到40%時(shí)，同一時(shí)間，液滴的蒸發(fā)顯著減慢。這主要有以下幾個(gè)方面的原因：①第一蒸發(fā)階段主要是正庚烷的蒸發(fā)過程，正十六蒸發(fā)較少，隨著液滴中正十六烷摻混比的增加，第一蒸發(fā)階段相同時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的正庚烷的量明顯減少，所以液滴剩余質(zhì)量多;②隨著正十六烷混合比的增加，在液滴蒸發(fā)的第一階段，大量的正十六烷聚集在液滴表面，但是正十六烷的蒸發(fā)特性明顯弱于正庚烷，液滴蒸發(fā)較差;③隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，液滴中殘留的庚烷數(shù)量減少，并且液滴溫度升高緩慢。

當(dāng)正十二烷混合比為10%，20%，30%時(shí)，正十二烷/正庚烷液滴的蒸發(fā)特性。模擬的初始條件與十六烷/庚烷液滴的初始條件相同，并且模擬結(jié)果示于圖16中。從圖16中可以看出，雖然正十二烷混合比的差異，但是混合燃料液滴半徑隨時(shí)間的趨勢是相似的。隨著正十二烷的混合比增加，液滴的蒸發(fā)時(shí)間明顯增加，并且液滴的第一蒸發(fā)階段不明顯。同時(shí)，當(dāng)正十二烷的混合比從10%增加到30%時(shí)，同一時(shí)間，液滴的蒸發(fā)逐漸減少。這主要有以下幾方面的原因：①第一蒸發(fā)階段主要是正庚烷的蒸發(fā)過程，隨著液滴中正十二烷摻混比的增加，第一蒸發(fā)階段蒸發(fā)的正庚烷的量增多，吸收的熱量也減少;②隨著正十二烷摻混比的增加，由于正十二烷的蒸發(fā)特性遠(yuǎn)低于正庚烷，使得液滴蒸發(fā)越發(fā)困難;③隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，液滴中的庚烷殘留量減少，液滴溫度升高緩慢。

3? 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論

①根據(jù)質(zhì)量恒定，組分恒定和氣液界面能量平衡的特點(diǎn)，建立了對(duì)流熱空氣環(huán)境中的兩種組分燃料液滴蒸發(fā)模型，并建立了四種假設(shè)使其模型得以簡化。

②在具有相同結(jié)構(gòu)的烴燃料中，分子的碳鏈越長，相對(duì)分子的質(zhì)量越大，并且燃料分子的穩(wěn)定性越差，自燃反應(yīng)越容易發(fā)生，并且燃料的十六烷值越高。隨著蒸發(fā)時(shí)間增加，環(huán)境溫度越高，液滴蒸發(fā)越有利。隨著環(huán)境溫度的升高，正十六烷和庚烷蒸發(fā)得更快，而且庚烷蒸發(fā)得更多;而對(duì)于正十二烷和正庚烷的蒸發(fā)來說，由于正庚烷在第一蒸發(fā)階段的蒸發(fā)量更多，其蒸發(fā)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正十六烷所需蒸發(fā)時(shí)間。燃料液滴越大，液滴中所含的十六烷數(shù)量越多，因此庚烷蒸發(fā)的時(shí)間越長;液滴的半徑越大，液滴蒸發(fā)的不利性就越大。正十二烷同樣如此，在正十二烷與正庚烷液滴中，對(duì)于柴油機(jī)燃料，減小液滴直徑可以改善燃料的蒸發(fā)特性。正十六烷與正庚烷隨著摻混比的增加，正庚烷無法快速蒸發(fā)，隨著時(shí)間的增加，剩余正庚烷減少，溫度升高緩慢;另一方面，當(dāng)正十二烷混合比從10%增加到30%時(shí)，由于正庚烷的比例隨著正十二烷混合比的增加而降低，不會(huì)發(fā)生快速蒸發(fā)，使得蒸發(fā)時(shí)間增加。因此，表面溫度上升緩慢。

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