环境和燃油温度对丁醇/柴油混合燃料喷雾影响的模拟分析

环境和燃油温度对丁醇/柴油混合燃料喷雾影响的模拟分析

吴健，花阳，王站成，徐斌，朱莉莉

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

摘要：根据喷雾可视化试验的结果，利用AVL Fire软件建立了正丁醇柴油喷雾的计算模型，并验证了模型的准确性。再利用该模型研究正丁醇柴油混合燃料的喷雾特性，模拟了油束的发展过程，计算了环境和燃油温度对混合燃料喷雾特性的影响。研究结果表明：在背压一定时，随环境温度的升高，油束初始速度增加，喷雾贯穿距增加，锥角减小；索特平均直径(SMD)先减小，在达到一定温度后随温度升高，喷雾初期又有所增大，后期趋于一致；随着燃油温度升高，N25喷雾贯穿距逐渐减小， SMD在喷雾初期随油温增加逐渐减小，随着喷雾的进行逐渐趋于一致。

关键词：正丁醇；柴油；喷雾特性；数值模拟；环境温度；燃油温度

基金项目：国家重点实验室开放基金项目(2013019)

作者简介：吴健(1959-),男,河南洛阳人,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为内燃机高效清洁燃烧及控制.

收稿日期：2014-09-04

文章编号：1672-6871(2015)01-0028-06

中图分类号：TK464

文献标志码：A

0引言

随着石油资源的日渐短缺以及环境问题的日益严峻，发动机替代燃料的研究显得越发重要。丁醇作为替代燃料有很多优势。它能很好地与柴油互溶，生产简便，再生性强。丁醇的能量密度接近汽油，燃油经济性好，热值较高，可以保证发动机的动力性能[1-2]。

国内外对丁醇的研究主要集中在燃烧和排放方面[3-9]，有关其喷雾特性的研究很少。文献[8]研究了4种丁醇掺烧比例的混合燃料对柴油机性能和排放的影响；文献[9]进行了丁醇体积比分别为8%和16%的丁醇柴油混合燃料的燃烧特性试验。

国内有关燃料喷雾特性的模拟研究十分活跃。文献[10]利用STAR-CD对定容室内生物柴油的喷雾特性进行了模拟研究；文献[11]利用AVL-FIRE软件对乙醇缸内喷雾特性进行了模拟研究。但目前喷雾的模拟研究大多与喷嘴内流动分开进行，将两者耦合在一起研究喷雾的很少。本文利用AVL Fire软件，分别建立喷嘴多相流模型和喷雾模型，并将喷嘴内流动和之后的雾化作为一个整体来研究喷雾特性[12-14]。这样可以考虑到喷嘴内流动对喷雾的影响，更接近真实情况，并用喷雾可视化试验结果对模型进行了验证。因此，借助于该模型,可以对丁醇/柴油混合燃料喷雾特性进行较为准确和全面的计算分析。

1计算网格和相关模型

1.1　计算网格

为便于研究燃料的喷雾特性，本文选用喷孔直径为0.13 mm,长径比为5的单孔喷油器。利用Solidworks建立喷嘴1/4的三维几何模型，再利用FAME网格生成工具划分喷嘴动网格，网格数为97 851。自由喷雾的模拟计算区域为一个简化的φ80 mm×120 mm的圆柱体定容室，喷嘴设在顶面中心处。定容室的网格数目为153 600。

首先，进行喷嘴内气液两项流计算，考虑喷孔内的空穴现象；再将喷嘴流动的计算结果作为初始和边界条件；然后进行喷雾模拟计算，这样可以使正丁醇柴油喷雾的模拟计算更接近真实情况。计算网格如图1所示。

图1　计算网格

1.2　相关模型和边界条件

在喷嘴多相流的计算中，湍流模型选择k-epsilon,压力速度耦合选用Simple法。Fire的喷雾模型建立在离散液滴模型(DDM)之上，包括了液滴气体的动量交换、湍流扩散、液滴的蒸发、破碎、碰撞和聚合等各种子模型。本文湍流模型选用k-epsilon，蒸发模型选用Multi-component。初次破碎模型选用Blob Injection，其必须基于喷嘴的流动计算结果，液滴破碎是由喷孔内湍流和流场中气体动力相互竞争所致。破碎模型选用KHRT，液滴破碎是沿流动方向扰动波和液滴驻点位置所形成扰动波两种波的不稳定增长持续竞争的结果。粒子碰撞模型选用Schmidt，油滴两两碰撞，且对粒子进行预排序，计算效率高[15]。

喷嘴内流动计算的入口和出口边界均选用压力边界，入口设为喷油压力，出口设为环境背压。计算中保持入口压力和出口压力不变，入口压力为120 MPa，出口压力为2 MPa。定容室选用固定壁面边界，环境介质为空气，压力为2 MPa。

1.3　计算和试验所用燃料物性参数

试验选用纯柴油(记为D100)和正丁醇添加体积比为10%的正丁醇柴油混合燃料(记为N10)，进行喷雾可视化试验，根据此试验结果来标定计算模型。模拟计算选用正丁醇体积比为25%的混合燃料(记为N25)，计算其在不同环境温度和燃油温度下的喷雾特性。正丁醇柴油混合燃料的物性参数由本实验室及黎明化工研究院检测获得，如表1所示。随着正丁醇掺混比的增加，混合燃料的密度、运动黏度、表面张力均减小。

表1　混合燃料和柴油的物性参数

2结果及分析

2.1　模拟与试验结果的对比

首先,将拍摄所得喷雾图片利用Matlab图片处理程序得到二值图边缘线；再利用Photoshop去除背景；最终得到透明背景的喷雾边缘线，再将其叠合到模拟所得的油束图像上，这样可以更加直观准确地对比两者的吻合程度。图2为正丁醇柴油混合燃料N10试验的喷雾图像边缘与模拟的油束生长过程的吻合程度的对比图，时间间隔0.4 ms，从两者油束边缘来看，模拟的喷雾形态与试验的吻合较好。图3为喷射压力为120 MPa，环境背压为2 MPa条件下，D100和N10试验与模拟的喷雾贯穿距对比图。由图3可见：模拟结果除个别点处与试验存在有少许误差外，从整体看，与试验值较为吻合，误差在5%以内。因此，综合油束形态和喷雾贯穿距的对比，可以保证该计算模型的准确性。

图2 试验与模拟的油束对比图图3 试验和模拟的贯穿距对比图

2.2　环境温度对喷雾特性的影响

在实际的发动机喷雾时，燃料是被喷射入高温的燃烧室中，缸内温度对喷雾的影响较大[16]。因此，环境温度对于丁醇喷雾特性影响的研究，对丁醇作为发动机替代燃料来说十分重要。本文研究定容室的自由喷雾形态，因此只改变环境温度而保持其他条件不变。

图4　不同环境温度下N25油束生长对比图

2.2.1不同环境温度下N25的油束生长过程

图4为通过模拟计算得到的不同时刻，正丁醇柴油混合燃料N25在环境温度为373.15 K、473.15 K下的油束生长过程的对比图。从图4中可以看出：两种不同环境温度下的油束外形差异较大，主要表现在喷雾贯穿距和喷雾锥角上。随着环境温度的升高，油束贯穿距逐渐变大，喷雾后期增加的趋势尤为明显；而喷雾锥角逐渐减小，在温度达到473.15 K以后，锥角的减小幅度明显增大，油束呈现出细长的形态[17]。

2.2.2不同环境温度下N25的速度场

图5为模拟计算得出的在环境温度为293.15 K和473.15 K时，N25的速度场随时间的变化。由图5可见：473.15 K时速度场中心颜色较深，且深色部分的面积较大，这说明油束中心的速度较高。这主要是因为本文采用的是理想气体，根据理想气体状态方程PV=nRT，在环境背压和体积保持不变时，随着环境温度的升高，环境介质的密度减小，导致液滴受到的阻力减小，因此液滴的初始速度增大。

图5　不同环境温度下N25的速度场对比图(单位：m/s)

由图5还可见：每种环境温度下，都是油束中心的速度最高，外围速度较低。这是因为油束的外围不断与周围空气发生卷吸等相互作用，这使得喷雾体前端液滴将空气不断向外挤出，导致油束外围的能量交换速度较快，能量损失大；相比之下中心油束不直接与周围气体接触，因此速度比外围大。

图6所示为喷油初始时刻0.2 ms时N25速度场局部放大图，并从中选取a、b两点(分别距喷孔前端10 mm,15 mm)。图7分别为图6中a、b两点在环境温度为293.15 K和473.15 K下的速度随时间的变化曲线。由图6能明显看出：473.15 K下a、b两点的速度均高于293.15 K时。这表明随着环境温度的升高，a、b两点的速度有所升高，周围空气的卷吸作用有所增强，从而会进一步加快液滴的破碎和蒸发，有助于改善雾化。

图6　N25局部速度场(单位：m/s)

2.2.3不同环境温度下N25的液滴密度场

图8为模拟计算得出的环境温度为293.15 K和473.15 K下，不同时刻N25油束的液滴密度场的对比。由图8中可见:在喷雾的任意时刻，293.15 K下的油束轴线附近的液滴密度较大区域均比473.15 K时的多；相比之下473.15 K时的液滴密度较大区域明显较少。这是因为随着环境温度的升高，液滴的蒸发加快，此外油束和周围气体的卷吸增强，导致液滴的破碎更加迅速，因此液滴的高密度区域减小。

图7　图6中a、b两点的速度随时间的变化

图8　不同环境温度下N25的液滴密度场(单位：kg/m 3)

2.2.4不同环境温度下N25的喷雾贯穿距和索特平均直径

图9、图10分别为喷射压力为120 MPa,环境背压为2 MPa条件下，N25在环境温度为293.15 K、373.15 K、473.15 K、573.15 K、673.15 K和773.15 K时的喷雾贯穿距和索特平均直径(SMD)的变化曲线。由图9和图10可见：随着环境温度的升高，喷雾贯穿距逐渐增大，但增幅并不大；SMD在温度升高后，明显降低，而后随着温度升高基本上保持不变。因为本文采用的是理想气体，根据理想气体状态方程PV=nRT，在环境背压和体积保持不变时，随着环境温度的升高，环境介质的密度减小，导致液滴受到的阻力减小，气液间的相对速度增大，因此表现为贯穿距增加[12]。

图9 N25在不同环境温度下的喷雾贯穿距图 图10 N25在不同环境温度下的SMD

另一方面，环境温度的升高，液滴表面温度升高，表面张力减小，液滴破碎扩散速度增加，蒸发速度加快，相应的SMD就会减小；但当温度增加到一定程度后，喷雾初期的SMD随温度升高有所增加。由此可见，适当增加气缸内的温度可以有效改善燃料的雾化。

2.3　燃油温度对喷雾特性的影响

随燃油温度的变化，燃油的物理属性是一个动态变化的过程，油温也是影响燃油蒸发速度的一个重要因素。因此，研究燃油温度对燃料喷雾特性的影响具有重要的意义[18]。

2.3.1不同燃油温度下N25的油束生长过程

图11所示为环境压力为2 MPa，环境温度为293.15 K条件下，模拟计算得到的不同时刻正丁醇柴油混合燃料N25在燃油温度为323.15 K、373.15 K下的油束生长过程的对比图。从图11中可以看出：不同燃油温度下油束的外形呈现出相同的趋势，油束形态的差异主要表现在喷雾贯穿距上，随着燃油温度的升高，油束贯穿距逐渐减小。主要是因为燃油温度升高，液滴的蒸发速度加快。由图11中还可以看出：在不同燃油温度下，油束的锥角变化不大。

图11　不同油温下N25油束生长过程对比图

2.3.2不同燃油温度下N25的喷雾贯穿距和SMD

图12、图13分别为喷射压力为120 MPa,环境背压为2 MPa条件下，N25在油温为293.15 K、323.15 K、353.15 K、383.15K时的喷雾贯穿距和SMD的变化曲线。由图12可以看出：燃油N25随着油温升高，喷雾贯穿距离有逐渐缩短的趋势。在喷油初始阶段，4种油温的贯穿距差别不明显，此时的蒸发速度相当，液滴动量也相差不大，因此喷雾贯穿速度差别不明显。但随着喷油的进行，油束前端的极细小液滴已经汽化，燃油温度越高其汽化速度越快，因此燃油温度越高，蒸发速度越快，导致温度高的燃油贯穿距离就会低于温度低蒸发慢的燃油[11]。

由图13可见：油温高的燃油在喷雾初期喷入定容室的液滴SMD比油温低的要小，但随着喷雾的进行，SMD逐渐趋于一致。由燃油的热物理性质可知：液体的黏度和张力都会随着燃油温度的升高而下降，液体间的紧密程度会降低，液滴的破碎就会更加容易，液滴SMD相应就会减小，因此表现为随着油温升高，液滴的SMD减小。由此可知：适当的升高油温可以改善燃料的雾化。

图12 N25在不同油温下的喷雾贯穿距图 图13 N25在不同油温下的SMD

3结论

(1)利用AVL Fire建立的喷雾模型的计算结果从油束发展形态与喷雾贯穿距上均与试验结果基本一致。

(2)背压一定时，随环境温度的升高，N25油束中心速度增加，油束中心液滴密度降低，喷雾贯穿距增加，锥角减小。SMD随环境温度增大先明显减小，而当达到一定温度范围后，随温度升高，在喷雾初期又有所增大，后期趋于一致。

(3)环境背压和温度不变时，随着燃油温度的升高，N25喷雾贯穿距逐渐减小，油束中心液滴密度降低。SMD在喷雾初期随油温增加逐渐减小，随着喷雾的进行逐渐趋于一致。

(4) 由模拟结果可知：适当提高燃油温度和环境温度是改善燃料雾化的有效方法。

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