以多组分碳氢为基础的燃料液滴蒸发特性的研究

杨珠凯 张礼斌 赵洋洋 丁昊

摘要：建立了一种在对流热空气下蒸发两组分燃料液滴的蒸发模型。分析了蒸发质量、液滴寿命等参数随燃料碳链长度、环境温度、液滴半径、掺混比等影响因素的变化规律。分析的结果是，随着碳链长度，环境温度，液滴半径和混合比的增加，液滴的蒸发速率加快。

关键词：多组分碳氢;燃料液滴;蒸发特性

0  引言

目前，随着石油资源的不断消耗，我国面临的主要能源问题是能源资源的不足与现有石油能源造成的重大环境污染。近年来，随着家用汽车的普及，中国对石油的需求迅速增长。2015年，中国的石油需求量达到5.34亿吨[1]，对外依存度接近60%。在众多耗油量支出中，内燃机是主要原因，年耗油量占中国年耗油量的50%以上。其中，最主要的则是柴油。柴油机和汽油机一样，方便着我们的日常生活，尤其在出行、发电等方面运用十分广泛，但是使用柴油机也会带来环境问题。柴油机排放的污染物主要包含了颗粒与氮氧化物，它们也是雾霾的主要组成，对人体健康造成了严重的危害[2]。目前，我国正处于环境污染与能源危机的双重危害下，在此背景下，开发出一种新型清洁的柴油机的代用燃料则具十分重大的意义。

为了研究可燃混合物的形成，重要的是研究液滴的蒸发过程，这对内燃机的燃烧过程具有重要影响。许多学者通过对单液滴蒸发燃烧过程的深入研究，认为这对研究复杂喷雾燃烧过程的理论分析和数学建模有很大帮助。目前，由于条件的限制，通过实验研究液滴的蒸发过程非常困难。因此，对液滴的蒸发过程进行理论研究具有非常重要的现实意义。孙凤等人[3]构建了一个蒸发模型，该模型考虑了蒸发过程中温度和压力的瞬时变化对液滴及其周围气流特性的影响。李云清[4]基于状态的真实气体方程建立了单滴高压蒸发模型[5]。目前，基于球形液滴蒸发理论的液滴蒸发模型是研究的主流，并且充分表达了研究蒸发过程中气液表面变形，环境气体流量和蒸汽成分分布等因素对液滴蒸发的影响，这是因为尚无可蒸发模型[6]。本文基于VOF法（流体体积法）建立了正十二烷液滴蒸发过程的数值模型。该模型充分考虑了由于两相流，温度变化和气液两相自由表面变形而产生的液滴蒸发。研究了正十二烷液滴在蒸发过程中的蒸发特性，例如直径，温度和蒸发速率，以及液滴内部和环境中组分的流动和分布。

使用典型的柴油燃料，例如正庚烷，正十二烷和正己醇，调节组成成分和混合比以提出伪轻油的多成分烃混合燃料和多成分烃燃料液体。建立了液滴蒸发模型，分析了环境因素，燃料成分和燃料特性对液滴蒸发特性的影响。

1  液滴蒸发模型建立

在这一部分中，考虑到柴油发动机汽缸中液滴的蒸发特性，建立了包含两种成分和一种对流热空气作为环境条件的燃料液滴蒸发模型。为了简化模型，我们对此液滴蒸发模型做出了合理的假设：①液滴蒸发过程是在一种无限的介质中进行的;②液滴气体溶解度为零，不考虑所有压力扩散的影响以及次要影响，例如Soret和Dufour对液滴蒸发的影响;③液滴内部和外部的温度相同，各处均是均匀的;④液滴内部的物理性质，如粘度，密度，扩散系数，蒸气压，导热系数，均是均匀的;随时间变化。

1.1 质量守恒

从标准稳态的假设出发，可以通过以下公式计算液滴的总蒸发质量速度：

上式中，为液滴质量蒸发速率（kg/s），ρm为液滴密度（kg/m3），Dm为气态燃料的扩散系数，rs为液滴瞬时半径（m），Sh*为修正的舍伍德数，BM为传质数。

1.2 组分守恒

由于组分是恒定的，因此液滴中特定组分的蒸发速率由下式给出：

式中，为液滴中第i种组分的质量蒸发速率（kg/s），εi为液滴中第i种组分蒸发速率占液滴总蒸发速率的比例。

1.3 气液界面能量平衡

通过分析亚稳态，可以获得液滴周围的气相溶液，并通过计算气液界面处的平衡并假设该气体为理想气体，可以计算出气液界面中不同组分的质量分数。我们可以假设在界面处一定比例的i处于平衡状态，则界面气体一侧的比例i的分压（Pi）必然等于响应液体温度下的饱和分压（Psat，i），即：

2  结果分析

2.1 环境温度对液滴蒸发特性的影响

为了分析环境温度分别对正十六烷/正庚烷液滴与正十二烷/正庚烷液滴蒸发特性的影响，我们模拟了当环境温度T∞分别为400K，500K和600K時液滴的蒸发规律，其他初始条件均相同：环境压力P∞=1MPa，空气速度U∞=3.0m/s，初始液滴温度Td0=300K，初始液滴半径r0=10μm。从该图可以明显看出，与现实情况相同的是，环境温度越高，液滴的蒸发速率越高。当环境温度为400K时，通过观察液滴半径随时间的变化曲线可以清楚地看到，并且液滴蒸发的第一阶段是图中曲线的第一下降阶段。可以看出，液滴的半径正在迅速减小;液滴蒸发的第二阶段是图中曲线的第二下降阶段。与图1-图3的曲线相结合分析，不难看出：①在液滴蒸发的第一阶段，庚烷和十六烷的蒸发，但是，由于庚烷的沸点低，因此蒸发速度快，而由于十六烷的沸点高，因此蒸发慢;②正庚烷几乎在第一阶段蒸发结束;③在第二阶段，几乎只有正十六烷的蒸发。图1中的结果表明，随着蒸发时间的增加，环境温度越高，液滴的蒸发越有利。从图2和图3的结果发现，随着环境温度的升高，十六烷和庚烷的蒸发更快，并且庚烷的蒸发量更高。

液滴蒸发的第一阶段是正十二烷和正庚烷液滴曲线的第一下降阶段，其中，液滴半径明显减小;曲线的第二个下降阶段为第二阶段。结合图4-图6，可以对这一现象进行如下分析：①正庚烷和正十二烷在液滴蒸发的第一阶段都蒸发了;②当液滴的表面温度升高时，正庚烷的沸点较低，因此蒸发快并且正十二烷的沸点蒸发速度慢，是因为蒸发速度高;③在第二阶段，几乎只有正十二烷的蒸发。从上面可以看出，由于燃料的蒸发和燃料的蒸发，燃料的蒸发特性是不同的，因此燃料的蒸发是不同的。蒸发时间的长度是不同的，并且它们被分为不同的蒸发结束时间。随着时间的变化，液滴内部各成分的比例不断变化。图4所示的结果表明，随着蒸发时间的增加，液滴的表面温度越高，液滴的蒸发越有利。图5和图6的结果表明，在第一阶段中，伴随着环境温度的不断上升，正十二烷和正庚烷都蒸发的非常快，且正庚烷在的蒸发量远超于正十二烷。

2.2 液滴半径

在这一部分中，观察了具有不同初始半径的液滴的蒸发特性，并分析了液滴初始半径的变量对蒸发规律的影响。该部分仅改变液滴的初始半径，而不改变其他初始条件。初始条件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空气速度U∞=3.0m/s，正十六烷与正庚烷质量比k=3：7，液滴初始温度Td，0=300K，液滴初始半径r0分别为10μm、20μm、30μm。图7是表示液滴的半径的经时变化的关系的图，从图中可以清楚地看到，液滴的初始半径越大，蒸发所需的时间就越长，并且遵循一个客观定律。每个液滴都具有完全相同的十六烷和庚烷混合物的比例，但是，随着液滴初始半径的增加，在蒸发的第一阶段中，同一时间，液滴表面上的庚烷比例下降，而十六烷百分比上升。显然，液滴的初始半径越大，即液滴中十六烷的质量越大。而且由于正十六烷的这一组分它的蒸发特性明显弱于正庚烷，使得当液滴开始蒸发时，正庚烷就快速的蒸发;对于正十六烷和正庚烷混合液滴，由于正庚烷在第一蒸发阶段内的大量快速的蒸发会吸收大量的热量，而这些热量除了环境外，还有液滴表面热量。这就导致了液滴表面温度的上升速度必然很慢，二者结合就更减慢了正十六烷的蒸发速度，正十六烷主要集中在第二蒸发阶段。

从图10可以看出，正十二烷和正庚烷的液滴半径越大，液滴中所含燃料的质量就越大，这也会导致蒸发时间成比例的增加。从图11和图12中可以看出，各直径液滴中虽然具有完全相同的正十二烷与正庚烷掺混比，但是，当液滴的初始半径不断增大时，在蒸发的第一阶段，正十二烷的蒸发特性比正庚烷的蒸发特性弱，而当液滴处于蒸发的早期时，正庚烷迅速蒸发。与正十六烷/正庚烷类似，在正十二烷/正庚烷混合液滴中，由于正庚烷在第一蒸发阶段中蒸发，因此正十二烷的蒸发速率由于各种原因而变慢，并且十二烷主要在第二蒸发阶段中蒸发。

2.3 掺混比

模拟了十六烷混合比为20%，30%和40%时，不同混合比对十六烷/庚烷燃料液滴蒸发特性的影响，因为燃料混合比的变化也会影响蒸发过程。模拟的初始條件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空气速度U∞=3.0m/s，液滴初期温度Td，0=300K，液滴初期半径r0=10μm。模拟结果如图13所示。从图14和图15中可以看出，不同正十六烷掺混比时，正十六烷掺混比增加，液滴的蒸发时间延长。当十六烷的混合比从20%增加到40%时，同一时间，液滴的蒸发显著减慢。这主要有以下几个方面的原因：①第一蒸发阶段主要是正庚烷的蒸发过程，正十六蒸发较少，随着液滴中正十六烷掺混比的增加，第一蒸发阶段相同时间内蒸发的正庚烷的量明显减少，所以液滴剩余质量多;②随着正十六烷混合比的增加，在液滴蒸发的第一阶段，大量的正十六烷聚集在液滴表面，但是正十六烷的蒸发特性明显弱于正庚烷，液滴蒸发较差;③随着蒸发时间的增加，液滴中残留的庚烷数量减少，并且液滴温度升高缓慢。

当正十二烷混合比为10%，20%，30%时，正十二烷/正庚烷液滴的蒸发特性。模拟的初始条件与十六烷/庚烷液滴的初始条件相同，并且模拟结果示于图16中。从图16中可以看出，虽然正十二烷混合比的差异，但是混合燃料液滴半径随时间的趋势是相似的。随着正十二烷的混合比增加，液滴的蒸发时间明显增加，并且液滴的第一蒸发阶段不明显。同时，当正十二烷的混合比从10%增加到30%时，同一时间，液滴的蒸发逐渐减少。这主要有以下几方面的原因：①第一蒸发阶段主要是正庚烷的蒸发过程，随着液滴中正十二烷掺混比的增加，第一蒸发阶段蒸发的正庚烷的量增多，吸收的热量也减少;②随着正十二烷掺混比的增加，由于正十二烷的蒸发特性远低于正庚烷，使得液滴蒸发越发困难;③随着蒸发时间的增加，液滴中的庚烷残留量减少，液滴温度升高缓慢。

3  结论

综上所述，可以得出以下结论

①根据质量恒定，组分恒定和气液界面能量平衡的特点，建立了对流热空气环境中的两种组分燃料液滴蒸发模型，并建立了四种假设使其模型得以简化。

②在具有相同结构的烃燃料中，分子的碳链越长，相对分子的质量越大，并且燃料分子的稳定性越差，自燃反应越容易发生，并且燃料的十六烷值越高。随着蒸发时间增加，环境温度越高，液滴蒸发越有利。随着环境温度的升高，正十六烷和庚烷蒸发得更快，而且庚烷蒸发得更多;而对于正十二烷和正庚烷的蒸发来说，由于正庚烷在第一蒸发阶段的蒸发量更多，其蒸发时间远远小于正十六烷所需蒸发时间。燃料液滴越大，液滴中所含的十六烷数量越多，因此庚烷蒸发的时间越长;液滴的半径越大，液滴蒸发的不利性就越大。正十二烷同样如此，在正十二烷与正庚烷液滴中，对于柴油机燃料，减小液滴直径可以改善燃料的蒸发特性。正十六烷与正庚烷随着掺混比的增加，正庚烷无法快速蒸发，随着时间的增加，剩余正庚烷减少，温度升高缓慢;另一方面，当正十二烷混合比从10%增加到30%时，由于正庚烷的比例随着正十二烷混合比的增加而降低，不会发生快速蒸发，使得蒸发时间增加。因此，表面温度上升缓慢。

参考文献：

[1]佚名.汽车发动机原理[M].2011.

[2]陈燕.混合燃料在车用内燃机上的应用研究[J].拖拉机与农用运输车，2006，33（2）：17-19.

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[6]高波，李哲.柴油组成对十六烷值与十六烷指数关联性的影响[J].石化技术与应用，2010，28（1）：27-30.

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