噴射壓力對(duì)生物柴油混合燃料噴霧特性的影響

袁文華 侯映雪 伏軍 顏飛斌 王振 吳磊

摘要：基于KH-RT液滴破碎模型對(duì)定容燃燒彈內(nèi)生物柴油-正丁醇混合燃料的噴霧貫穿距離、噴霧錐角、索特平均粒徑、速度場(chǎng)以濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過定容燃燒彈試驗(yàn)臺(tái)架獲取的生物柴油-正丁醇混合燃料的噴霧特性對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：隨著噴射壓力的增加，BD70N30混合燃料的噴霧貫穿距和噴霧錐角增加;索特平均粒徑降低;霧束中心高速區(qū)域增大且高濃度區(qū)域減小。增大噴射壓力更易于BD70N30混合燃料的破碎與蒸發(fā)。

Abstract： Based on KH - RT droplet breakage model of constant volume Molotov cocktails in biodiesel - n-butyl alcohol mixed fuel spray through the distance， spray cone Angle， sauter mean diameter， velocity field numerical simulation on concentration field， through the constant volume Molotov cocktails test-bed for biodiesel - n-butyl alcohol mixed fuel spray characteristics to validate the numerical model， the results show that： ?With the increase of injection pressure， the spray penetration distance and spray cone Angle of BD70N30 mixture fuel increase. ?Sault average particle size decreased; ?The high speed area in the center of fog beam increases and the high concentration area decreases. ?Increasing the injection pressure makes it easier for BD70N30 mixture fuel to break and evaporate.

關(guān)鍵詞：KH-RT液滴破碎模型;噴霧特性;生物柴油;正丁醇

Key words： KH-RT droplet crushing model;spray characteristics;biodiesel;N-butyl alcohol

中圖分類號(hào)：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0067-04

0 ?引言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格與石油資源的日益短缺，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨更加艱巨的節(jié)能減排挑戰(zhàn)。近年來生物柴油由于其原料來源廣泛、制取成本較低、性能媲美柴油、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，一度成為研究熱點(diǎn)之一。生物柴油與傳統(tǒng)柴油的噴霧燃燒特性較為相似，因此在不用改進(jìn)現(xiàn)有柴油機(jī)的前提下，生物柴油可直接用于傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)生物柴油的噴霧燃燒特性進(jìn)行了大量的研究， GENG等人[2]基于試驗(yàn)臺(tái)架研究了燃料噴射壓力和噴孔直徑對(duì)生物柴油噴霧特性的影響，發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力，噴霧貫穿距離和噴霧錐角增大，噴孔減小可以改善霧化。HASSAN和KHALID等人[3]基于Fluent軟件模擬分析了高溫環(huán)境下的生物柴油噴霧特性，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致燃料的噴霧貫穿距離和噴霧錐角增大。Mohan B等人[4]研究了生物柴油及生物柴油與普通柴油混合燃料在高噴射壓力和背壓下的霧化特性，發(fā)現(xiàn)與普通柴油和混合燃料相比，混合燃料具有更大的噴霧貫穿距離和更小的噴霧錐角。Mirhashemi F S等人[5]和Atmanli A等人[6]研究表明：不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，燃用生物柴油可以大幅減少CO、HC的排放，但是NOX的排放會(huì)增加。為了解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油NOX的排放增加的問題，通常主要采用雙燃料燃燒技術(shù)或添加添加劑組成二元混合燃料燃燒技術(shù)。目前關(guān)于生物柴油和醇類燃料二元混合的研究較多，主要有生物柴油-乙醇混合燃料[7-8]、生物柴油-正丁醇混合燃料[9-10]、生物柴油-正戊醇混合燃料[11-12]等。由于正丁醇較乙醇的十六烷值和熱值更高，粘度更高，正丁醇比乙醇更能有效的改善生物柴油的燃料特性[13-14]。綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物柴油噴霧特性的研究較多，由于生物柴油與醇類燃料的混合燃料粘度較低，在較高噴射壓力情況下，高壓燃油噴射系統(tǒng)容易被磨損而失效，因此當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究工況大多集中在燃料低壓噴射工況下，而對(duì)于中高壓燃料噴射工況的研究報(bào)道相對(duì)較少，鑒于此，本文利用定容燃燒彈試驗(yàn)臺(tái)架獲取生物柴油與丁醇混合燃料在中高壓噴射壓力下的噴霧過程，然后驗(yàn)證KH-RT液滴破碎模型并對(duì)定容燃燒彈內(nèi)生物柴油的噴霧過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究生物柴油-正丁醇混合燃料在不同噴油壓力對(duì)噴霧貫穿距離、噴霧錐角、索特平均直徑（SMD）、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的影響。

1 ?噴霧可視化實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用直接拍攝法記錄混合燃料在常溫條件下的噴霧過程，定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布局如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要由定容燃燒彈系統(tǒng)、高壓噴射系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)五部分組成。定容燃燒彈為不銹鋼加工而成的圓柱形罐體，四周均勻分布4個(gè)直徑為100mm的圓形視窗，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)霧束發(fā)展情況;高壓噴射系統(tǒng)為噴霧可視化試驗(yàn)平臺(tái)提供設(shè)定的噴射壓力和噴油脈寬;同步控制系統(tǒng)在噴油器噴油的瞬間發(fā)出脈沖信號(hào)觸發(fā)高速相機(jī)進(jìn)行拍攝記錄;高速攝像系統(tǒng)負(fù)責(zé)拍攝燃料噴射過程;加熱系統(tǒng)是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的不同工況。本文中的噴油器為單孔電磁噴油器，噴孔直徑為0.168mm。高速相機(jī)型號(hào)為PhotronFASTCAMSA-X2，該試驗(yàn)設(shè)定拍攝頻率為20000幀/s，快門速度為1/40000s，具體試驗(yàn)工況如表1所示。

2 ?仿真實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

2.1 噴霧模型

模擬燃料噴霧過程，通常用到WAVE模型、KH-RT模型、FIPA模型、TAB模型、HUH-GOSMAN模型等，其中KH-RT模型既可用于模擬柴油機(jī)噴霧又可用于汽油機(jī)噴霧。KH-RT液滴破碎模型是指由液滴與氣體之間的速度差而產(chǎn)生的KH波不穩(wěn)定性增長(zhǎng)和氣體和液滴界面法線方向的密度差而產(chǎn)生的RT波不穩(wěn)定增長(zhǎng)，KH和RT不穩(wěn)定波共同作用導(dǎo)致液滴霧化破碎。

?2.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界設(shè)置

定容燃燒彈內(nèi)部區(qū)域簡(jiǎn)化后的流體域模型如圖2（a）所示，其中，流體域?yàn)橹睆?0mm、長(zhǎng)度為100mm的圓柱體。圖2（b）為流體域截面示意圖，噴油器噴嘴出口位于圓柱體上表面的圓心，噴出的霧束主要集中于圓柱體的中心軸線附近區(qū)域。為了提高計(jì)算的精度，需要對(duì)噴霧區(qū)域進(jìn)行加密處理，生成的網(wǎng)格如圖2（c）所示，其中，網(wǎng)格最小尺寸為0.25mm，總網(wǎng)格數(shù)為320000，網(wǎng)格類型均為六面體網(wǎng)格。仿真溫度邊界與試驗(yàn)設(shè)定的溫度一致。

2.3 燃料理化特性

本試驗(yàn)燃料為高比例生物柴油摻混正丁醇混合燃料，混合燃料中生物柴油所占比例為70%，正丁醇所占比例為30%，記為BD70N30。此外生物柴油記為BD100，正丁醇記為N100，燃料理化參數(shù)如表 2所示。

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的精度，采用的方法是將模擬計(jì)算得到的噴霧形態(tài)和噴霧貫穿距離與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取噴射壓力 70MPa、環(huán)境壓力 2MPa、噴霧脈寬 1.0ms這一工況下進(jìn)行仿真模擬，圖3為BD70N30 噴霧形態(tài)試驗(yàn)與仿真對(duì)比圖，圖4為BD70N30噴霧貫穿距離實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比，由圖4可知噴霧模型模擬出噴霧結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好的吻合，且仿真模擬出的結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)定的噴霧貫穿距離相比較，最大誤差值為0.044mm，最小誤差值為0.021mm，因此構(gòu)建噴霧模型能夠較好的模擬噴霧的整個(gè)發(fā)展過程。

3 ?結(jié)果分析與討論

3.1 噴霧貫穿距離

圖5展示了BD70N30在四種不同噴射壓力50MPa、70MPa、120MPa、130MPa下的噴霧貫穿距離隨時(shí)間變化規(guī)律，在1.0ms時(shí)刻，噴射壓力為50MPa對(duì)應(yīng)的噴霧貫穿距為55.52mm，當(dāng)噴射壓力提高到70MPa時(shí)，噴霧貫穿距相應(yīng)的提高為61.38mm。噴射壓力由50MPa升高到120MPa時(shí)同一時(shí)刻下噴霧貫穿距增大較明顯，而120MPa升高到130MPa時(shí)同一時(shí)刻下噴霧貫穿距漲幅較小。

3.2 噴霧錐角

圖6展示了BD70N30在四種不同噴射壓力（50MPa、70MPa、120MPa、130MPa）下不同時(shí)刻的噴霧錐角，噴射壓力由50MPa提高到130MPa時(shí)，0.4ms對(duì)應(yīng)的噴霧錐角變化最大，從11.7°增大到13.4°;噴射壓力由120MPa提高到130MPa時(shí)，0.6ms對(duì)應(yīng)的噴霧錐角變化最大，從12.54°提高到13.52°。噴射瞬間噴油量少，混合燃料與周圍空氣的卷吸作用較為明顯，0.1s時(shí)刻噴霧錐角達(dá)到最大值后，隨著時(shí)間推移不斷波動(dòng)，在0.6s時(shí)刻之后噴霧錐角變化趨于穩(wěn)定。

3.3 SMD

圖7展示了BD70N30在不同噴射壓力（50MPa、70MPa、120MPa）下的SMD隨時(shí)間變化曲線，噴射壓力由 50MPa 升高到 70MPa，SMD 下降幅度較少，其中在 1.0ms 時(shí)刻，SMD 下降 10.42%，噴射壓力由 70MPa 升高到 120MPa，SMD 下降比較明顯，其中在 1.0ms 時(shí)刻，SMD 下降 37.58%。噴射壓力增大，油束動(dòng)能增加，氣液相對(duì)速度變大，在噴射瞬間到0.1s時(shí)刻變化激烈后趨于穩(wěn)定，在0.4s時(shí)刻，噴射壓力120MPa對(duì)比于噴射壓力50MPa液滴破碎效果更好。

3.4 速度場(chǎng)

圖8展示了 BD70N30 燃料在 50MPa、70MPa、120MPa 三種噴射壓力下 0.3ms、0.5ms、0.7ms 對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)，在0.5ms 時(shí)刻，50MPa、120MPa 噴射壓力下速度最高分別為 128m/s 和 160m/s，噴射壓力由 50MPa 升高到 120MPa，最高速度提高 32m/s。三種噴射壓力下相同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)分布基本相同，均為霧束中心區(qū)域液滴速度最高，由中心到霧束輪廓邊界速度依次降低。噴射壓力從50MPa升高到120MPa時(shí)，燃油霧束速度明顯增大，燃油霧束與空氣的卷吸作用明顯變強(qiáng)。

3.5 濃度場(chǎng)

圖9展示了 BD70N30 燃料在 50MPa、70MPa、120MPa 三種噴射壓力下 0.3ms、0.5ms、0.7ms 對(duì)應(yīng)的濃度場(chǎng)，不同噴射壓力下燃料霧束液滴濃度場(chǎng)的中心區(qū)域濃度最高，由中心到霧束輪廓邊界濃度依次降低，而伴隨著燃料噴射壓力升高，濃度場(chǎng)中心的紅色區(qū)域面積減小，即霧束中心高濃度區(qū)域面積減小。燃料噴射壓力從50MPa升高到120MPa時(shí)，單次噴射燃料速度增加，燃料由噴孔射出的初始動(dòng)能提高，較高速度的液滴與環(huán)境介質(zhì)氣體相互作用更劇烈，燃料更容易破碎和蒸發(fā)。

4 ?結(jié)論

本文開展了BD70N30燃料的噴霧可視化實(shí)驗(yàn)并基于KH-RT液滴破碎模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了噴射壓力對(duì)BD70N30燃料噴霧貫穿距、噴霧錐角、SMD、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響，結(jié)論如下：①噴射壓力對(duì)BD70N30燃料的噴霧貫穿距有一定影響。在1.0ms時(shí)刻，噴射壓力為50MPa對(duì)應(yīng)的噴霧貫穿距為55.52mm，當(dāng)噴射壓力提高到70MPa時(shí)，噴霧貫穿距相應(yīng)的提高為61.38mm。②在相同時(shí)刻，不同噴射壓力對(duì)BD70N30混合燃料的噴霧錐角影響較小。噴射壓力由50MPa提高到130MPa時(shí)，0.4ms對(duì)應(yīng)的噴霧錐角增加了1.7°;噴射壓力由120MPa提高到130MPa時(shí)，0.6ms對(duì)應(yīng)的噴霧錐角增加了0.98°。③對(duì)于BD70N30燃料，SMD隨噴射壓力變化趨勢(shì)為SMD前期變化率較大，后期變化率較小，隨后趨于穩(wěn)定。④對(duì)于BD70N30燃料，在噴射壓力為50MPa時(shí)燃料霧束液滴濃度場(chǎng)的中心區(qū)域濃度最高，由中心到霧束輪廓邊界濃度依次降低，當(dāng)噴射壓力升高到120MPa時(shí)，濃度場(chǎng)中心紅色區(qū)域明顯減少。

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