乙醇液滴在高溫氮氣環(huán)境下的運動(dòng)蒸發(fā)特性

應用能源技術(shù)2014年第1期(總第193期)doi:10.3969/isn.1009-3230.2014.001.011乙醇液滴在高溫氮氣環(huán)境下的運動(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)力與機械工程學(xué)院,河北保定071003)摘要:為達到新型燃料發(fā)動(dòng)機高效工作的目的,基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程,對單個(gè)乙醇液滴在高溫氮氣環(huán)境下的運動(dòng)和蒸發(fā)過(guò)程建立數學(xué)模型,通過(guò)與實(shí)驗教據對比,驗證了模型的有效性。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。結果表明:環(huán)境壓力越高,瞬態(tài)和平衡蒸發(fā)階段時(shí)間越長(cháng),溫度越高;液滴運動(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(cháng)。在液滴速度連續變化的距離內,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(zhù)。關(guān)鍵詞:液滴;蒸發(fā);環(huán)境壓力;乙醇中圖分類(lèi)號:TK124文獻標志碼:A文章編號:1009-3230(2014)01-0046-0Motion 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 UniversBaoding 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(zhù)新型液體燃料燃料液滴在高溫環(huán)境下的運動(dòng)蒸發(fā)過(guò)程是液(如醇類(lèi)、醚類(lèi)等)的廣泛使用,有必要對該過(guò)程進(jìn)行深入研究,更好地應用于燃燒器和發(fā)動(dòng)機等收稿日期:2013-11-18修訂日期:2013-12-21裝置的工基金項目:河北省自然科學(xué)基金項目(E012502069);中央中國煤化工高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金資助項目經(jīng)典白(11Qc62)CNMH Gavel1和spal作者簡(jiǎn)介:劉璐(1984-),女江西省吉安市人講師博ding2對單個(gè)液滴在靜止環(huán)境下蒸發(fā)過(guò)程提出的士,研究方向為相變傳熱機理研究。2014年第1期(總第193期)應用能源技術(shù)d模型”,該模型假設液體溫度均勻,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,是簡(jiǎn)單的氣相模型。目前型簡(jiǎn)化假設如下:應用最廣泛的是 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。導率模型”,模型詳盡考慮了液滴內部環(huán)流和液(3)液滴表面附近的氣相處于準穩態(tài)。滴加熱,適用于液滴尺寸和雷諾數較大的情況。(4)忽略氣體的可溶性、忽略液滴和環(huán)境氣國內外眾多學(xué)者對單個(gè)運動(dòng)液滴的蒸發(fā)過(guò)程體的化學(xué)反應、忽略液滴的分解。進(jìn)行了研究,文獻6通過(guò)建立液滴能量、動(dòng)量和(5)忽略熱輻射效應。質(zhì)量方程,描述液滴在高溫氣體中的運動(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)量蒸運動(dòng)乙醇液滴在高溫氮氣環(huán)境下的質(zhì)量蒸發(fā)發(fā)率隨時(shí)間的變化。周致富7對激光手術(shù)噴霧率可由基于經(jīng)典“邊界層理論”的“拓展模型1冷卻中單液滴的運動(dòng)蒸發(fā)特性進(jìn)行理論研究,獲計算獲得得液滴溫度尺寸、速度與貫穿距離的關(guān)系,但模m= padOiN(1+Bn)(2+0.552S3)型僅針對平衡蒸發(fā)階段。 Sazhin對雙組份燃料(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為乙醇蒸汽在氮氣中的相當詳盡包括:周?chē)鷼饬髋c液滴的對流換熱、液傳質(zhì)擴散系數(m2/s),與溫度和環(huán)境壓力有關(guān),滴內部的環(huán)流效應與溫度分布、液滴內部濃度分可由下式近似計算[9]布、以及不同組分活度系數的影響,最終獲得液滴D=1.19×10fx、510113×103溫度隨時(shí)間的變化。但模型對液滴運動(dòng)速度的模(2)擬僅采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性擬合,缺乏對液滴運動(dòng)軌跡的研究。綜合現有文獻對單個(gè)液滴運動(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)間境壓力。B為質(zhì)量傳遞數,與液滴表面蒸汽質(zhì)量濃度的變化,而對液滴的貫穿距離,以及不同距離上的蒸發(fā)、運動(dòng)特性缺乏完整描述。Y和環(huán)境中的蒸汽質(zhì)量濃度Y有關(guān),本文中令文中基于目前廣泛采用的 abramzon& Sing. Y=0nano的液滴蒸發(fā)模型、液滴運動(dòng)軌跡模型、以及能量守恒研究乙醇液滴在高溫氮氣環(huán)境下的運動(dòng)P. M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,速度和尺寸與時(shí)間和貫穿距離的關(guān)系。式中:Pv,5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為乙醇和對乙醇液滴在髙溫氮氣環(huán)境下的運動(dòng)蒸發(fā)過(guò)Re為氣TH中國煤化工CNMHG2pu,d/p程建立模型,考慮了氣液相物性(如:密度定壓P,,Sc(=ppDm)分別為氣相邊界層內乙醇蒸汽應用能源技術(shù)2014年第1期(總第193期)和氮氣混合氣體的密度,動(dòng)力粘度及施密特數,由熱系數和普朗特數。邊界層內參考溫度(T)和參考蒸汽質(zhì)量分數λ=.A,+(1-Y)λn2。(14)Y,)計算獲得=H.,p,+(1-Y,)cn2。(15)p=[(Y./p+(1-Y.)p%2](5)2計算求解與分析乒=H,4+(1-Y,)μ為22.1計算可靠性分析參考溫度和參考蒸汽質(zhì)量分數由“1/3定對乙醇液滴初參數為:T=15℃、d=律”給出:100μm、b=60m/s在氮氣環(huán)境T=200℃、PT=T+(T-T4)3。(7)0.1MPa下蒸發(fā)過(guò)程的溫度變化,采用不同時(shí)y,=Yn+(H.。-,)/3=0.667(8)間步長(cháng)Mt進(jìn)行計算,計算結果如圖1所示?？梢?2液滴運動(dòng)軌跡模型看出,當Mt取0.0001ms和0.01ms時(shí),計算結當液滴與環(huán)境氣體存在相對運動(dòng)時(shí)液滴速果相差很小,下文計算中取t=0.01ms度的變化可由下式簡(jiǎn)化計算,由于液滴直徑較小,式中忽略重力的影響-。a(mn山)=Fn=4m2Cn(edt(1+0.15Re)Re4<100。(10)△-△【=0.000Ims20對(9)式積分,可得任意時(shí)刻t液滴的瞬時(shí)15速度圖1時(shí)間步長(cháng)對計算結果的影響u4(1)=m(t)圖2將文中計算結果與文獻[8]中實(shí)驗測量1.3液滴溫度變化結果進(jìn)行對比,其初始條件與環(huán)境參數為:T=忽略液滴內部溫度分布以及輻射換熱,液滴38℃、d=140.8μm、TN2=22℃、P=0.1MPa、a溫度變化率為:=(12.3-0.344t)m/s可以看出二者吻合較dr -mL hA(TM -Tdd t(12)Sazhin'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(=Td2)為液滴表面積;L為乙醇的汽化潛熱。h為對流換熱的表面傳熱系數,可由下式計算2+0.552Re3Pp03(13)中國煤化工CNMHG式中:A,P(=C,/A)為邊界層內混合氣體的導圖2液滴溫度變化計算值與文賦[8]實(shí)驗數據比較2014年第1期(總第193期)應用能源技術(shù)49好,說(shuō)明本文建立模型及計算方法的可靠性。升高;隨液滴溫度升高,蒸發(fā)加快,蒸發(fā)帶走的熱2.2液滴運動(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;當液滴吸熱量等以初始參數為T(mén)=15℃、d=100μm、=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的乙醇液滴在氮氣環(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)境壓力下液滴運動(dòng)和蒸段時(shí)間越長(cháng),液滴壽命越長(cháng),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,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)境壓力越髙,液滴運動(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?chē)h(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,液滴尺寸變化與時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系(即滿(mǎn)足d2理論),但液滴速度急劇變化時(shí),線(xiàn)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(zhù)。這也表明液滴蒸發(fā)的經(jīng)P=o1MPa典“d2理論”僅適用于靜止環(huán)境,同時(shí)未考慮物性0.5MPP= 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散成為液滴蒸發(fā)速度P=0.IMP減慢的主要原因。P=2MPa2.3液滴運動(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)系續變化的距離內,液滴溫度逐漸上升,而液滴尺P=0.IMPa寸略有膨脹;當液滴靜止后,溫度迅速上升,尺寸急劇下降。P=0.5MPa0.2200240(c)尺寸與時(shí)間的關(guān)系中國煤化工圖3環(huán)境壓力對液滴運動(dòng)和燕發(fā)特性的影響液滴溫度(a),CNMHG4O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(zhù)。參考文獻[1] GodsaveG A E. 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