應(yīng)用能源技術(shù)2014年第1期(總第193期)doi:10.3969/j.isn.1009-3230.2014.001.011乙醇液滴在高溫氮?dú)猸h(huán)境下的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)特性劉璐,黃家榮,米夢(mèng)龍(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北保定071003)摘要:為達(dá)到新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作的目的,基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程,對(duì)單個(gè)乙醇液滴在高溫氮?dú)猸h(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了模型的有效性。分析了不同環(huán)境壓力下,液滴溫度、速度、尺寸與時(shí)間和貫穿距離的關(guān)系。結(jié)果表明:環(huán)境壓力越高,瞬態(tài)和平衡燕發(fā)階段時(shí)間越長(zhǎng),溫度越高;液滴運(yùn)動(dòng)速度下降越快,貫穿距離越短;燕發(fā)速度越慢,液滴壽命越長(zhǎng)。在液湳速度連續(xù)變化的距離內(nèi),液滴溫度逐漸上升,而尺寸略有膨脹,隨環(huán)境壓力升高,瞬態(tài)階段的膨脹越顯著。關(guān)鍵詞:液滴;蒸發(fā);環(huán)境壓力;乙醇中圖分類號(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1009-3230(2014)01-0046-05Motion and Evaporation Characteristics of Ethanol Dropletin High Temperature Nitrogen EnvironmentLIU Lu, HUANG Jia-rong, MI Meng-longSchool of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power UniversityBaoding 071003, China)Abstract: In order to achieve high efficiency of new fuel engine, a mathematical model based onmass,momentum and energy equations was developed to describe the motion and evaporation processof a single ethanol droplet in high temperature nitrogen environment. By comparing the numericalresults with experimental data, the model validation was confirmed. The relationships of droplettemperature, velocity, size with time and penetration distance under different ambient pressure wereanalyzed. The calculated results indicate that with a higher ambient pressure, the transient stage andthe equilibrium evaporation stage are longer, the droplet temperature is higher; the decline rate ofdroplet velocity is faster, the penetration distance is shorter; the evaporation rate is slower, and thedroplet life is longer. Within the distance where the droplet velocity continuous variation, the droplettemperature rises gradually, the droplet size expands slightly, and with the increase of ambientpressure, the droplet expansion during the transient stage is more significantKey words: Droplet; Evaporation; Ambient pressure; Ethanol0引言體燃燒的重要階段。近年來(lái),隨著新型液體燃料燃料液滴在高溫環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)過(guò)程是液(如醇類醚類等)的廣泛使用,有必要對(duì)該過(guò)程進(jìn)行深入研究,更好地應(yīng)用于燃燒器和發(fā)動(dòng)機(jī)等收稿日期:2013-11-18修訂日期:2013-12-21裝置的工作?；痦?xiàng)目:河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2012502069);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目經(jīng)典的液滴蒸發(fā)模型是有 Godsave和spl-(10Q62)作者簡(jiǎn)介:劉璐(984-),女江西省吉安市人,講師博ding2對(duì)單個(gè)液滴在靜止環(huán)境下蒸發(fā)過(guò)程提出的士,研究方向?yàn)橄嘧儌鳠釞C(jī)理研究。2014年第1期(總第193期)應(yīng)用能源技術(shù)d模型”,該模型假設(shè)液體溫度均勻,且液體和比熱、動(dòng)力粘度、汽化潛熱等)隨溫度的變化。模氣體的物性均為常數(shù),是簡(jiǎn)單的氣相模型。目前型簡(jiǎn)化假設(shè)如下:應(yīng)用最廣泛的是 Abramzon和 Sirignano3基于邊(1)液滴為球形。界層理論提出的液滴蒸發(fā)“拓展模型”和“有效熱(2)液滴本身沒(méi)有溫度梯度。導(dǎo)率模型”,模型詳盡考慮了液滴內(nèi)部環(huán)流和液(3)液滴表面附近的氣相處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。滴加熱,適用于液滴尺寸和雷諾數(shù)較大的情況。(4)忽略氣體的可溶性、忽略液滴和環(huán)境氣國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)單個(gè)運(yùn)動(dòng)液滴的蒸發(fā)過(guò)程體的化學(xué)反應(yīng)、忽略液滴的分解。進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)46通過(guò)建立液滴能量、動(dòng)量和(5)忽略熱輻射效應(yīng)。質(zhì)量方程,描述液滴在高溫氣體中的運(yùn)動(dòng)及蒸發(fā)1.1液滴蒸發(fā)模型過(guò)程,主要獲得了液滴溫度、速度、直徑和質(zhì)量蒸運(yùn)動(dòng)乙醇液滴在高溫氮?dú)猸h(huán)境下的質(zhì)量蒸發(fā)發(fā)率隨時(shí)間的變化。周致富對(duì)激光手術(shù)噴霧率可由基于經(jīng)典“邊界層理論”的“拓展模型”1冷卻中單液滴的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)特性進(jìn)行理論研究,獲計(jì)算獲得:得液滴溫度、尺寸速度與貫穿距離的關(guān)系,但模m=mdDl(1+B)(2+0.55S3)型僅針對(duì)平衡蒸發(fā)階段。 Sazhin!對(duì)雙組份燃料(1)液滴的加熱和蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行理論研究模型考慮式中:d為液滴直徑;Dab為乙醇蒸汽在氮?dú)庵械南喈?dāng)詳盡,包括:周圍氣流與液滴的對(duì)流換熱、液傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)(m2/s),與溫度和環(huán)境壓力有關(guān),滴內(nèi)部的環(huán)流效應(yīng)與溫度分布、液滴內(nèi)部濃度分可由下式近似計(jì)算[9]:布、以及不同組分活度系數(shù)的影響,最終獲得液滴Dn=1.19×10-5(7,3/10113×l05溫度隨時(shí)間的變化。但模型對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的模擬僅采用簡(jiǎn)單的線性擬合,缺乏對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)軌跡的研究。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn),對(duì)單個(gè)液滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)過(guò)式中:T為參考溫度,由“1/3定律”獲得;P為環(huán)程的研究主要集中于液滴溫度、直徑速度隨時(shí)境壓力。的變化,而對(duì)液滴的貫穿距離,以及不同距離上的B為質(zhì)量傳遞數(shù),與液滴表面蒸汽質(zhì)量濃度Y和環(huán)境中的蒸汽質(zhì)量濃度Y有關(guān),本文中令蒸發(fā)、運(yùn)動(dòng)特性缺乏完整描述10。F=0,文中基于目前廣泛采用的 abramzon& i Singnano的液滴蒸發(fā)模型、液滴運(yùn)動(dòng)軌跡模型、以及aY(3)能量守恒研究乙醇液滴在髙溫氮?dú)猸h(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)過(guò)程獲得了不同環(huán)境壓力下液滴溫度、P M,+(P-P)M,(4)速度和尺寸與時(shí)間和貫穿距離的關(guān)系。式中:P,為乙醇液滴表面的飽和蒸汽壓;M,1物理模型與控制方程Mn為乙醇和氮?dú)獾哪栙|(zhì)量對(duì)乙醇液滴在高溫氮?dú)猸h(huán)境下的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)過(guò)Re4為氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù);Ret=2pud/程建立模型,考慮了氣液相物性(如:密度定壓p,,c(=PpD)分別為氣相邊界層內(nèi)乙醇蒸汽應(yīng)用能源技術(shù)2014年第1期(總第193期)和氮?dú)饣旌蠚怏w的密度,動(dòng)力粘度及施密特?cái)?shù)由熱系數(shù)和普朗特?cái)?shù)。邊界層內(nèi)參考溫度(T)和參考蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)A=H.A,+(1-,)λ。(14)(Y,)計(jì)算獲得c=Y.,n,+(1-Y)鶻2。(15)p=(,p+(1-,)p%]°(5)2計(jì)算求解與分析Y。+(1-Y(6)2.1計(jì)算可靠性分析參考溫度和參考蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)由“1/3定對(duì)乙醇液滴初參數(shù)為:T=15℃、d=律”給出:100μm、0=60m/s在氮?dú)猸h(huán)境Tn=200℃、PT,=7a+(mn-7)3。(7)=01MPa下蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化,采用不同時(shí)Y,=Y…+(Y,-Y)B=0.67(8)間步長(zhǎng)A進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖1所示?？梢?2液滴運(yùn)動(dòng)軌跡模型看出,當(dāng)Δt取0.0001ms和0.01ms時(shí),計(jì)算結(jié)當(dāng)液滴與環(huán)境氣體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)液滴速果相差很小,下文計(jì)算中取t=0.01ms度的變化可由下式簡(jiǎn)化計(jì)算,由于液滴直徑較小,式中忽略重力的影響-7。d(m44)Fn =4.C(9)30(1+0.15Red)Rea<1000。(10)△-△r=0.000Ims0-△t=00lms對(duì)(9)式積分,可得任意時(shí)刻t液滴的瞬時(shí)80速度moto-Fpdt圖1時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響u4(1)(11)圖2將文中計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]中實(shí)驗(yàn)測(cè)量13液滴溫度變化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其初始條件與環(huán)境參數(shù)為:7=忽略液滴內(nèi)部溫度分布以及輻射換熱,液滴38℃、d=140.8μm、TN2=22℃、P=0.1MPa、u溫度變化率為:=(12.3-0.344)m/s可以看出二者吻合較dT, -mL+ hA(TM, -Ta)presentSazhin's data式中:m為乙醇液滴質(zhì)量;cp為乙醇液體的定壓比熱;A(=丌d2)為液滴表面積;L為乙醇的汽化潛熱。h為對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),可由下式計(jì)算:M==2+0.5225P3。(13)式中:A,Pr(=CA)為邊界層內(nèi)混合氣體的導(dǎo)圖2液滴溫度變化計(jì)算值與文獻(xiàn)[8]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較2014年第1期(總第193期)應(yīng)用能源技術(shù)49好,說(shuō)明本文建立模型及計(jì)算方法的可靠性。升高;隨液滴溫度升髙,蒸發(fā)加快,蒸發(fā)帶走的熱2.2液滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)特性與時(shí)間的關(guān)系量增多,液滴溫度上升速度減慢;當(dāng)液滴吸熱量等以初始參數(shù)為T=15℃、d=100μm、u0=于蒸發(fā)換熱量時(shí),液滴溫度維持不變,進(jìn)入平衡蒸60m/s的乙醇液滴在氮?dú)猸h(huán)境T=200℃的蒸發(fā)階段。環(huán)境壓力越高,瞬態(tài)階段和平衡蒸發(fā)階發(fā)過(guò)程為例,研究不同環(huán)境壓力下液滴運(yùn)動(dòng)和蒸段時(shí)間越長(zhǎng),液滴壽命越長(zhǎng),溫度也越高。圖3發(fā)特性隨時(shí)間的變化。(b)所示,液滴在7ms時(shí)間內(nèi),速度迅速降至圖3(a)表明乙醇液滴在高溫環(huán)境下的加熱0m/s。環(huán)境壓力越高,液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受氣流過(guò)程分為瞬態(tài)階段和平衡蒸發(fā)階段。在瞬態(tài)階阻力越大,速度下降也越快。圖3(c)所示,在液段,液滴從周圍環(huán)境吸收的熱量使液滴溫度迅速滴蒸發(fā)的大部分時(shí)間內(nèi),液滴尺寸變化與時(shí)間成線性關(guān)系(即滿足d2理論),但液滴速度急劇變化時(shí),線性關(guān)系不再成立,同時(shí)在瞬態(tài)加熱階段,由于溫度的迅速上升,造成液滴自身的膨脹,環(huán)境壓力越高,膨脹越顯著。這也表明液滴蒸發(fā)的經(jīng)P=0.1MPa典“d理論”僅適用于靜止環(huán)境,同時(shí)未考慮物性P:O5MPaP=2MPa隨溫度的變化。該圖還能看出,隨環(huán)境壓力的升4080120160200240高,液滴溫度升高,雖能促進(jìn)蒸發(fā),然而環(huán)境壓力(a)液滴溫度與時(shí)間的關(guān)系升高抑制了液滴表面蒸汽擴(kuò)散成為液滴蒸發(fā)速度-P=0.IMPa減慢的主要原因。2.3液滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)特性與貫穿距離的關(guān)系圖4所示為不同環(huán)境下液滴運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)特性與貫穿距離的關(guān)系。圖中可以看出,隨環(huán)境壓力的升高,液滴貫穿距離越短;在液滴速度連t/msb)速度與時(shí)間的關(guān)系續(xù)變化的距離內(nèi),液滴溫度逐漸上升,而液滴尺P=OIMPa寸略有膨脹;當(dāng)液滴靜止后,溫度迅速上升,尺寸急劇下降。P(c)尺寸與時(shí)間的關(guān)系圖3環(huán)境壓力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)特性的影響液滴溫度(a),速度(b)和尺寸(c)與時(shí)間的關(guān)系(a)液滴溫度與貫穿距離的關(guān)系應(yīng)用能源技術(shù)2014年第1期(總第193期)滴自身發(fā)生膨脹;隨環(huán)境壓力升高膨脹越顯著。=蘭參考文獻(xiàn)[1] Godsave G A E. Studies of the combustion of drops in afuel spray-the burming of single drops of fuel[ C].Pro-eeding 4th Intermational Symposium on CombustionBaltimore. 1953: 818-830b)速度與貫穿距離的關(guān)系[2] Spalding D B. The combustion of liquid fuels[ C]1.2Proceeding 4th Intemational Symposium on Combus-tion: Baltimore. 1953: 847-8640.8[3] Abramzon B, Sirignano W A. Droplet vaporizationmodel for spray combustion calculations [J].Intemapao. 1MPaP=0.5MPational Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 4600(2):283-296(c)尺寸與貫穿距離的關(guān)系[4]孫慧娟,張海濱,白博峰.高溫燃?xì)庵袉蝹€(gè)液滴的蒸發(fā)特性[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(7)圖4環(huán)境壓力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)和燕發(fā)特性的影響,液滴溫度(a),833-837.速度(b】和尺寸(c)與貫穿距離的關(guān)系[5]蘇凌宇,劉衛(wèi)東,運(yùn)動(dòng)液滴蒸發(fā)時(shí)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的3結(jié)論理論分析[J].國(guó)紡科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(5)本文基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程,建立單個(gè)乙醇液滴在高溫氮?dú)猸h(huán)境下的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)模型模型[6]冉景煜,張志蒙.不同物性液滴在低溫?zé)煔庵械恼舭l(fā)特性數(shù)值研究[].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30考慮了氣液相物性隨溫度的變化,將模型計(jì)算結(jié)(26):62-68果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了模型的有效性。通過(guò)[7]周致富,辛慧,陳斌,等.激光手術(shù)噴霧冷卻模型計(jì)算,分析了不同環(huán)境壓力下,液滴溫度、速中單個(gè)液滴蒸發(fā)特性[J].中國(guó)激光,2008,35度和尺寸與時(shí)間和貫穿距離的關(guān)系,主要結(jié)論有:(6):952-956(1)環(huán)境壓力越高,瞬態(tài)階段和平衡蒸發(fā)階8] Sazhin ss, Elwardany A, Krutitskii P A,eal.A段時(shí)間越長(zhǎng)液滴溫度越高;液滴運(yùn)動(dòng)受氣流阻力越大,速度下降越快;液滴表面蒸汽擴(kuò)散被抑制,evaporation[J]. Intemational Joumal of Heat and蒸發(fā)速度越慢液滴壽命越長(zhǎng)。Mass Transfer,2010,53:4495-4505(2)環(huán)境壓力越髙,液滴貫穿距離越短;在液9]李心月,楊榮海韓慧岷,等.柴油燃燒室外預(yù)熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的彩響[門]森林工程,2011,3:64-6滴速度連續(xù)變化的距離內(nèi)液滴溫度逐漸升高,而[10]弗蘭克P,英克魯佩勒大衛(wèi)P,德維特狄奧多爾尺寸略有膨脹;當(dāng)液滴靜止后,溫度迅速上升,尺L,等著.葛新石,葉宏,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版杜寸急劇下降(3)瞬態(tài)加熱階段由于液滴溫度迅速上升,液