燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質機理的數值模擬與實驗研究.pdf

1、對于直噴式柴油機來說，燃油的噴射、霧化、蒸發(fā)和燃燒過程非常重要，燃油液滴的蒸發(fā)過程和燃油蒸氣的空間分布很大程度上決定了直噴式柴油機的燃燒特性，從而進一步影響其總體性能。因此有必要開展燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質機理的研究。
　　本文以直噴式柴油機燃油液滴的蒸發(fā)過程為研究背景，將燃油液滴蒸發(fā)過程中傳熱傳質機理作為研究重點，采用數值模擬、理論分析與實驗方法進行了研究。
　　由于實驗條件和數值模擬方法的限制，目前對于燃油液滴蒸發(fā)過程傳

2、熱傳質機理的認識并不完善。對于存在液滴蒸發(fā)過程等工程應用中，多采用經驗公式進行研究。然而現有的經驗公式并不能準確地模擬液滴的蒸發(fā)過程，而且實驗條件也很難觀測到液滴內部流場等分布。對于液滴蒸發(fā)過程的數值模擬研究，多采用氣液相分開建模的方法。因此有必要采用氣液兩相流數值模擬方法對燃油液滴傳熱傳質機理進行研究。
　　本文首先建立了基于氣液兩相流VOF方法的燃油液滴蒸發(fā)大渦模擬數學模型。實現了燃油液滴蒸發(fā)過程的氣液兩相流聯(lián)合模擬，彌補了常

3、規(guī)數值模擬方法無法考慮液滴形狀變化以及氣相與液相分開模擬等缺陷，為采用數值方法模擬液滴的蒸發(fā)過程提供了一種研究方法。針對Marangoni效應普遍存在于兩相流中的現象，在基于氣液兩相流VOF方法的燃油液滴蒸發(fā)數值模擬中，考慮了由表面張力梯度引起的Marangoni效應。將Marangoni效應簡化為一種相界面處的體積力，得出了基于VOF方法并考慮表面張力與溫度關系的Marangoni效應作用力計算公式，并將Marangoni效應添加到氣

4、液兩相流液滴蒸發(fā)數學模型中。研究了Marangoni效應對燃油液滴蒸發(fā)過程傳熱傳質特性的影響。
　　由于在直噴式柴油機的缸內環(huán)境中，燃油液滴的蒸發(fā)過程受到溫度、壓力、湍流等環(huán)境因素的影響。為了深入地了解燃油液滴蒸發(fā)過程中的傳熱傳質機理，研究了環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、雷諾數和湍流脈動等不同環(huán)境因素對液相傳熱和氣液相傳質的影響，探討了不同環(huán)境因素對液滴傳熱傳質特性的影響關系。
　　現有的燃油液滴蒸發(fā)速率模型在液滴蒸發(fā)相關計算中廣泛使

5、用，如噴霧燃燒等工程應用中。此模型的基本假設為液滴始終保持圓球的形狀，因此其面積或體積等相關計算都按照球體的計算公式獲得。然而在實際情況中，燃油液滴在蒸發(fā)過程中形狀不斷地發(fā)生變化。本文通過分析得出了影響液滴變形的關鍵因素和液滴表面積的變化規(guī)律，應用回歸分析方法得出了液滴的表面積變化公式，并對燃油液滴蒸發(fā)速率模型進行了修正。在整個計算周期內，修正模型的結果都比原模型的結果更加接近于實驗值。這說明基于液滴變形的燃油蒸發(fā)速率修正模型，能夠更加

6、準確地預測實驗值，比原蒸發(fā)速率模型有一定的改進。
　　通過分析柴油機噴霧場中燃油液滴的分布情況，采用液滴陣列來近似噴霧場中的液滴分布情況，研究了液滴陣列蒸發(fā)過程中前液滴對后液滴傳熱傳質的影響，不同液滴數陣列以及液滴間距對液滴傳熱傳質的影響，對單液滴的努塞爾數進行改進，提出基于液滴陣列的努塞爾數改進公式。通過對比噴霧場中的燃油蒸氣分布的數值模擬結果與實驗結果，對基于液滴陣列的努塞爾數改進公式進行了驗證。
　　建立了能夠進行溫度