生物燃料液滴微爆后子液滴尺寸的估算.docVIP

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：116175 生物燃料液滴微爆后子液滴尺寸的估算 Cai Shen1 Chia-fon F. Lee1,2,3,*，李明磊2，Timothy H. Lee1 （1 University of Illinois at Urbana-Champaign, IL, 61801 2 清华大学能源燃烧中心，北京，100084 3 清华大学汽车节能与安全国家重点实验室，北京，100084） （Email: cflee@tsinghua.edu.cn. Cai Shen，Email: caishen1@illinois.edu） 摘要: 生物柴油、乙醇和丁醇是很有潜力的替代燃料，常与常规燃料掺混使用，乙醇/丁醇和柴油/生物柴油混合燃烧中会发生微爆。本文建立了多组分生物燃料液滴微爆过程的数值模型：微爆的起始点由均质成核模型决定并由归一化的起始时刻半径（NOR）刻画；成核后气泡长大的过程由改进的Rayleigh方程描述；最终的爆炸分离过程模型引入了基于最小表面能量（MSE）的能量方法。随后本文采用了一种简单的方法来估算微爆后子液滴的索特平均半径（SMR）。 关键字： 微爆, 生物燃料, 数值模型 0 前言： 1965年Ivanov最早提出微爆的概念[1]。微爆现象多产生于两种或多种不同挥发性组分的混合液滴在较高温度环境中的蒸发过程。由于液相有限的传质速率，液滴内部的易挥发组分传至液滴表面的速率不能抵消其在液滴表面的蒸发速率，这样就使得液滴内部易挥发组分的浓度高于液滴表面。导致的结果是即使液滴表面尚未到达沸腾状态，液滴内部某些区域的温度可能已经高于当地的沸点，当这些区域的温度高到足够支持气化成核，在液滴内部就会产生一个或者两个气泡，气泡迅速长大并最终导致液滴剧烈的爆炸[2]。爆炸后产生的子液滴的半径远小于爆炸前。从实际应用的角度看，微爆的发生具有使得液滴雾化过程更加灵活的潜力，意味着好的雾化效果不再仅仅依赖于喷雾设备的设计和喷雾过程的影响。事实上，较大尺寸的液滴具有更大的惯性，能够穿透至燃烧器内部，在一定程度上能够达到优化液滴分布的作用，同时较大尺寸的液滴在穿透至燃烧器内部之后可以通过发生微爆的方式迅速气化。 研究者针对存在微爆条件下单个液滴的蒸发和燃烧特性已经进行了大量的实验研究。自由液滴下落的相关实验发现微爆不仅存在于混溶燃料液滴[3]，还存在于水/油乳浊液的蒸发过程中[4]，这是由其燃烧过程中对液滴半径的测量推测得到的[5]。Wang和Law[3]针对醇/烷烃混合物在较高压力下的微爆过程进行了一系列实验研究。据报道微爆的发生能够极大的促进醇/柴油混合物在柴油机中的雾化。一些研究者建立了描述水/油乳浊液微爆发生机理的数值模型。大部分针对微爆的研究着重关注环境压力、液滴组成、环境温度、液滴初始半径、乳浊液滴内部气化结构、重力等对于微爆过程的影响[3,6,7]。有一些文献研究了液滴内部的过热极限，并以此界定微爆的开始[7,8]。然而，在2000年以前，几乎没有关于液滴爆裂过程及其结果的研究。Zeng和Lee[2,9]以线性稳定性分析为基础，建立了描述微爆不稳定性的模型，并给出了液滴爆裂标准，以确定子液滴的平均尺寸和速度。 在近期，生物柴油、乙醇和丁醇作为十分有潜力的替代燃料，以其可再生和环境友好等优点受到人们越来越广泛的关注[10]，它们的使用有望大大减少石化燃料的国外依存度。在实际应用中，生物燃料常常与石油基柴油或汽油掺混使用。一些乙醇、丁醇、大豆基生物柴油和正十四烷的热力学和化学性质在表1中列出。由于乙醇和柴油/生物柴油的挥发性和沸点差异很大，在乙醇-柴油（E-D）、乙醇-生物柴油（E-B）这种双组分燃料以及乙醇-生物柴油-柴油这种三组分燃料液滴的燃烧过程中，都可能有微爆现象发生。尽管丁醇的沸点比乙醇高，丁醇和柴油之间的挥发性差异依旧足够大到使得丁醇-柴油（B-B）双组份燃料的燃烧过程中也可能发生微爆。此外，由于丁醇在柴油/生物柴油中高的混溶性，类似于丁醇的高含碳量醇类的应用有助于解决混合燃料在低温下的不稳定性。对于生物燃料与柴油混合液滴燃烧过程，理解微爆过程中的雾化过程和子液滴行为特性，有助于改进生物燃料发动机的性能。 表1. 乙醇、丁醇、大豆基生物柴油、正十四烷的部分物性 乙醇 丁醇 生物柴油 正十四烷 密度[k