乙醇液滴在高温氮气环境下的运动蒸发特性

应用能源技术2014年第1期(总第193期)doi:10.3969/isn.1009-3230.2014.001.011乙醇液滴在高温氮气环境下的运动蒸发特性刘璐黄家荣,米梦龙(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003)摘要:为达到新型燃料发动机高效工作的目的,基于质量、动量、能量方程,对单个乙醇液滴在高温氮气环境下的运动和蒸发过程建立数学模型,通过与实验教据对比,验证了模型的有效性。分析了不同环境压力下,液滴温度、速度、尺寸与时间和贯穿距离的关系。结果表明:环境压力越高,瞬态和平衡蒸发阶段时间越长,温度越高;液滴运动速度下降越快,贯穿距离越短;燕发速度越慢,液滴寿命越长。在液滴速度连续变化的距离内,液滴温度逐渐上升,而尺寸略有膨胀,随环境压力升高,瞬态阶段的膨胀越显著。关键词:液滴;蒸发;环境压力;乙醇中图分类号:TK124文献标志码:A文章编号: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引言体燃烧的重要阶段。近年来,随着新型液体燃料燃料液滴在高温环境下的运动蒸发过程是液(如醇类、醚类等)的广泛使用,有必要对该过程进行深入研究,更好地应用于燃烧器和发动机等收稿日期:2013-11-18修订日期:2013-12-21装置的工基金项目:河北省自然科学基金项目(E012502069);中央中国煤化工高校基本科研业务费专项资金资助项目经典白(11Qc62)CNMH Gavel1和spal作者简介:刘璐(1984-),女江西省吉安市人讲师博ding2对单个液滴在静止环境下蒸发过程提出的士,研究方向为相变传热机理研究。2014年第1期(总第193期)应用能源技术d模型”,该模型假设液体温度均匀,且液体和比热、动力粘度汽化潜热等)随温度的变化。模气体的物性均为常数,是简单的气相模型。目前型简化假设如下:应用最广泛的是 Abramzon和 Sirignano3基于边(1)液滴为球形。界层理论提出的液滴蒸发“拓展模型”和“有效热(2)液滴本身没有温度梯度。导率模型”,模型详尽考虑了液滴内部环流和液(3)液滴表面附近的气相处于准稳态。滴加热,适用于液滴尺寸和雷诺数较大的情况。(4)忽略气体的可溶性、忽略液滴和环境气国内外众多学者对单个运动液滴的蒸发过程体的化学反应、忽略液滴的分解。进行了研究,文献6通过建立液滴能量、动量和(5)忽略热辐射效应。质量方程,描述液滴在高温气体中的运动及蒸发1.1液滴蒸发模型过程,主要获得了液滴温度、速度、直径和质量蒸运动乙醇液滴在高温氮气环境下的质量蒸发发率随时间的变化。周致富7对激光手术喷雾率可由基于经典“边界层理论”的“拓展模型1冷却中单液滴的运动蒸发特性进行理论研究,获计算获得得液滴温度尺寸、速度与贯穿距离的关系,但模m= padOiN(1+Bn)(2+0.552S3)型仅针对平衡蒸发阶段。 Sazhin对双组份燃料(1)液滴的加热和蒸发过程进行理论研究模型考虑式中:d为液滴直径;Dab为乙醇蒸汽在氮气中的相当详尽包括:周围气流与液滴的对流换热、液传质扩散系数(m2/s),与温度和环境压力有关,滴内部的环流效应与温度分布、液滴内部浓度分可由下式近似计算[9]布、以及不同组分活度系数的影响,最终获得液滴D=1.19×10fx、510113×103温度随时间的变化。但模型对液滴运动速度的模(2)拟仅采用简单的线性拟合,缺乏对液滴运动轨迹的研究。综合现有文献对单个液滴运动蒸发过式中:T为参考温度,由“1/3定律”获得;p为环程的研究主要集中于液滴温度直径速度随时间境压力。B为质量传递数,与液滴表面蒸汽质量浓度的变化,而对液滴的贯穿距离,以及不同距离上的蒸发、运动特性缺乏完整描述。Y和环境中的蒸汽质量浓度Y有关,本文中令文中基于目前广泛采用的 abramzon& Sing. Y=0nano的液滴蒸发模型、液滴运动轨迹模型、以及能量守恒研究乙醇液滴在高温氮气环境下的运动P. M和蒸发过程,获得了不同环境压力下,液滴温度、P.M+(P-P.,)M,速度和尺寸与时间和贯穿距离的关系。式中:Pv,5为乙醇液滴表面的饱和蒸汽压;M,1物理模型与控制方程Mn为乙醇和对乙醇液滴在髙温氮气环境下的运动蒸发过Re为气TH中国煤化工CNMHG2pu,d/p程建立模型,考虑了气液相物性(如:密度定压P,,Sc(=ppDm)分别为气相边界层内乙醇蒸汽应用能源技术2014年第1期(总第193期)和氮气混合气体的密度,动力粘度及施密特数,由热系数和普朗特数。边界层内参考温度(T)和参考蒸汽质量分数λ=.A,+(1-Y)λn2。(14)Y,)计算获得=H.,p,+(1-Y,)cn2。(15)p=[(Y./p+(1-Y.)p%2](5)2计算求解与分析乒=H,4+(1-Y,)μ为22.1计算可靠性分析参考温度和参考蒸汽质量分数由“1/3定对乙醇液滴初参数为:T=15℃、d=律”给出:100μm、b=60m/s在氮气环境T=200℃、PT=T+(T-T4)3。(7)0.1MPa下蒸发过程的温度变化,采用不同时y,=Yn+(H.。-,)/3=0.667(8)间步长Mt进行计算,计算结果如图1所示。可以12液滴运动轨迹模型看出,当Mt取0.0001ms和0.01ms时,计算结当液滴与环境气体存在相对运动时液滴速果相差很小,下文计算中取t=0.01ms度的变化可由下式简化计算,由于液滴直径较小,式中忽略重力的影响-。a(mn山)=Fn=4m2Cn(edt(1+0.15Re)Re4<100。(10)△-△【=0.000Ims20对(9)式积分,可得任意时刻t液滴的瞬时15速度图1时间步长对计算结果的影响u4(1)=m(t)图2将文中计算结果与文献[8]中实验测量1.3液滴温度变化结果进行对比,其初始条件与环境参数为:T=忽略液滴内部温度分布以及辐射换热,液滴38℃、d=140.8μm、TN2=22℃、P=0.1MPa、a温度变化率为:=(12.3-0.344t)m/s可以看出二者吻合较dr -mL hA(TM -Tdd t(12)Sazhin's data式中:m为乙醇液滴质量;cp为乙醇液体的定压比热;A(=Td2)为液滴表面积;L为乙醇的汽化潜热。h为对流换热的表面传热系数,可由下式计算2+0.552Re3Pp03(13)中国煤化工CNMHG式中:A,P(=C,/A)为边界层内混合气体的导图2液滴温度变化计算值与文赋[8]实验数据比较2014年第1期(总第193期)应用能源技术49好,说明本文建立模型及计算方法的可靠性。升高;随液滴温度升高,蒸发加快,蒸发带走的热2.2液滴运动蒸发特性与时间的关系量增多,液滴温度上升速度减慢;当液滴吸热量等以初始参数为T=15℃、d=100μm、=于蒸发换热量时,液滴温度维持不变,进入平衡蒸60m/s的乙醇液滴在氮气环境T=200℃的蒸发阶段。环境压力越高,瞬态阶段和平衡蒸发阶发过程为例,研究不同环境压力下液滴运动和蒸段时间越长,液滴寿命越长,温度也越高。图3发特性随时间的变化。(b)所示,液滴在7ms时间内,速度迅速降至图3(a)表明乙醇液滴在高温环境下的加热0m/s。环境压力越髙,液滴运动过程中所受气流过程分为瞬态阶段和平衡蒸发阶段。在瞬态阶阻力越大,速度下降也越快。图3(c)所示,在液段,液滴从周围环境吸收的热量使液滴温度迅速滴蒸发的大部分时间内,液滴尺寸变化与时间成线性关系(即满足d2理论),但液滴速度急剧变化时,线性关系不再成立,同时在瞬态加热阶段,由于温度的迅速上升,造成液滴自身的膨胀,环境压力越高,膨胀越显著。这也表明液滴蒸发的经P=o1MPa典“d2理论”仅适用于静止环境,同时未考虑物性0.5MPP= 2MPa随温度的变化。该图还能看出,随环境压力的升4080120160200240高,液滴温度升高,虽能促进蒸发,然而环境压力(a)液滴温度与时间的关系升高抑制了液滴表面蒸汽扩散成为液滴蒸发速度P=0.IMP减慢的主要原因。P=2MPa2.3液滴运动蒸发特性与贯穿距离的关系图4所示为不同环境下液滴运动和蒸发特性与贯穿距离的关系。图中可以看出,随环境压力的升高,液滴贯穿距离越短;在液滴速度连t/msb)速度与时间的关系续变化的距离内,液滴温度逐渐上升,而液滴尺P=0.IMPa寸略有膨胀;当液滴静止后,温度迅速上升,尺寸急剧下降。P=0.5MPa0.2200240(c)尺寸与时间的关系中国煤化工图3环境压力对液滴运动和燕发特性的影响液滴温度(a),CNMHG4O速度(b)和尺寸(c)与时间的关系(a)液滴温度与贯穿距离的关系应用能源技术2014年第1期(总第193期)滴自身发生膨胀;随环境压力升高,膨胀越显著。参考文献[1] GodsaveG A E. Studies of the combustion of drops in afuel spray-the burning of single drops of fuel[ C].Pro-ceeding 4th Intermational Symposium on CombustionBaltimore,1953:818-830Zmm(b)速度与贯穿距离的关系[2] Spalding D B. The combustion of liquid fuels[ C]12Proceeding 4th Intemational Symposium on Combus-tion: Baltimore. 1953: 847-864[3] Abramzon B, Sirignano W A. Droplet vaporization04model for spray combustion calculations[J]. Intema--P=.1MPa0.5MPational Journal of HeatMass transfer, 2003. 462MPa102030(2):283-296.(c)尺寸与贯穿距离的关系[4]孙慧娟,张海滨,白博峰.高温燃气中单个液滴的蒸发特性[门.西安交通大学学报,2008,42(7):图4环境压力对液滴运动和燕发特性的影响,液滴温度(a),833-837速度(b)和尺寸(c)与穿距离的关系[5]苏凌宇,刘卫东,运动液滴蒸发时传热传质过程的3结论理论分析[J].国防科技大学学报,2008,30(5):本文基于质量、动量、能量方程,建立单个乙10-14醇液滴在高温氮气环境下的运动蒸发模型模型[6]冉景煜,张志荣,不同物性液滴在低温烟气中的蒸发特性数值研究[].中国电机工程学报,2010,30考虑了气液相物性随温度的变化,将模型计算结(26):62-68.果与实验数据对比,验证了模型的有效性。通过(71周致富,辛慧,陈就,等、嫩先手木雾冷却模型计算,分析了不同环境压力下,液滴温度速中单个液滴蒸发特性[J].中国激光,2008,35度和尺寸与时间和贯穿距离的关系,主要结论有:(6):952-956(1)环境压力越高瞬态阶段和平衡蒸发阶[8] Sazhin S s, Elwardany A, Krutitskii a,el.A段时间越长,液滴温度越高;液滴运动受气流阻力simplified model for bi-component droplet heating and越大,速度下降越快;液滴表面蒸汽扩散被抑制,evaporation[J]. Intermational Joumal of Heat and蒸发速度越慢液滴寿命越长。Mass Transfer,2010,53:4495-4505(2)环境压力越高液滴贯穿距离越短;在液9]李心月,杨荣海韩慧崛,等柴油燃烧室外预热对发动机性能的彩响[门.森林工程,2011,3:64-66滴速度连续变化的距离内液滴温度逐渐升高,而[10]弗兰克P,英克鲁佩勒大卫P,德维特狄奥多尔尺寸略有膨胀;当液滴静止后,温度迅速上升,尺L等著中国煤化工学工业出版社,寸急剧下降。CNMHG(3)瞬态加热阶段由于液滴温度迅速上升,液