掺水乳化柴油单液滴蒸发特性可视化实验研究

发布时间：2020-03-26 03:40

【摘要】：随着能源需求量越来越大,人们对环境问题的日益重视,对于可再生能源以及替代燃料的研究越来越受到重视。掺水乳化柴油由于其独特的微观结构,可以在其蒸发过程中产生微爆现象产生众多小液滴使得燃烧更加充分,同时由于水的高比热值,降低了燃烧的峰值温度,做到了同时降低氮氧化物(NO_x)和碳烟颗粒(Soot)。目前,内燃机研究者已经开展了一些关于掺水乳化柴油的喷雾、蒸发、燃烧特性研究,但从单液滴的蒸发和燃烧层面以及微观结构对液滴的蒸发影响等方面的研究还很少,因此研究各种因素对于其蒸发过程的影响有重要的理论和现实意义。本文采用挂滴法,对掺水乳化柴油单液滴的蒸发特性进行了详细的研究。通过后处理得到了归一化直径平方,相似度,变形度,最大微爆强度,微爆频率以及累计微爆强度等数据,来定量的分析不同因素下的掺水乳化柴油单液滴的蒸发和微爆特征。本文先研究了常压条件下,环境温度分别为300℃、400℃、500℃、600℃情况下的掺水乳化柴油W20(含水质量比为20%的乳化柴油)的蒸发特性。其蒸发过程展现了三阶段的蒸发过程,即瞬态加热段、起伏蒸发段以及平衡蒸发段。微爆现象主要发生在起伏蒸发段,在起伏蒸发段,内部水核在低温条件下可以充分的膨胀,但是在高温条件下,液滴破碎过快,液滴无法完全膨胀破碎,吸收的能量无法得到充分利用,所以最大微爆强度、微爆频率以及累计微爆强度均随着环境温度增大先增大后减小;平衡蒸发阶段,四种不同环境温度的单液滴的归一化直径平方曲线呈现两种不同的规律,即线性减小或阶梯下降。同时,随着环境温度升高,相似度曲线由单一周期变为多周期重叠,由波浪状变为齿状,并且随着环境温度的升高,相似度和变形度的不稳定性增加。随后,研究了环境温度500℃条件下的纯柴油W0、掺水乳化柴油W10(含水质量比为10%)、掺水乳化柴油W20(含水质量比为20%,后同)、掺水乳化柴油W30的蒸发特性。并进行了通过两种不同的配方即相同搅拌时间、搅拌频率、搅拌功率的掺水乳化柴油以及不同搅拌时间、搅拌频率、搅拌功率的,但相同内部结构(水核索特平均直径D_(32)为4.7μm附近)的掺水乳化柴油进行对比分析。不同水核索特平均直径条件下不同含水量的掺水乳化柴油,其起伏蒸发段由于含水量的增多,使得液滴内部积累能量增多,但是含水量过多,使得吸收足够的能量后可以轻易的冲破油膜造成液滴过早破碎,所以四种单液滴最大微爆强度、微爆频率以及累计微爆强度,随着含水量的增大先增大后减小。同时,随着含水量的增加,破碎现象发生次数增多,平衡蒸发阶段中相似度与变形度曲线中的小突起明显增多,并且微爆速率增快,多个水核同时微爆,相似度曲线发生了周期分离、周期重叠、周期不完整的现象,形貌由波浪状转变为齿状结构。在相同水核索特平均直径条件下,不同含水量的掺水乳化柴油中,随着液滴内离散水核尺寸增大,大尺度微爆现象减弱,最大微爆强度降低,整个蒸发持续期变长,温度上升缓慢,起伏蒸发阶段温度下降不明显;液滴内离散水核尺寸减小,使得微爆现象更加迅速明显,大尺度微爆现象增多,最大微爆强度增加,并且与不同水核索特平均直径单液滴微爆现象不同的是,在同等水核索特平均直径的条件下,随着含水量的增加,微爆现象出现的时间逐渐提前,但是,最大微爆强度,微爆频率以及累计微爆强度仍然随着含水量的增加先升高后降低。同时发现,水核索特平均直径与相似度曲线的变化趋势无关,其仅仅能影响液滴蒸发过程中的稳定时间,但是影响程度却比含水量低,改变液滴内部的水核索特平均直径大小,液滴的变形程度仍随着含水量的增加而增加,但是变化的剧烈程度有所降低。最后研究了环境温度500℃条件下,不同水核索特平均直径D_(32)下(2μm-6μm)的掺水乳化柴油W20单液滴的蒸发特性。在瞬态加热段,由于蒸发模式从大尺度水核协同微爆模式转变为小尺度水核凝聚成核微爆模式,所以瞬态加热段存在的时间会随着水核索特平均直径的减小先减小后增大而后轻微减小后继续变大,呈波浪状规律。在起伏蒸发阶段,由于两种微爆模式互相竞争、互相辅助、互相转变,造成最大微爆强度随着水核索特平均直径的减小先降低后升高而后减小最后有轻微升高;微爆频率与累计微爆强度随着水核索特平均直径的下降先下降后升高而后继续下降。同时,随着液滴内部水核索特平均直径减小,液滴的相似度变化曲线从大幅度波动的齿状结构慢慢转变小幅度波动的齿状结构,进而变为多个完整周期的波浪状结构,最后减小到单个周期的波浪状结构。
【图文】：

液滴直径,丁醇,温度变化规律,生物柴油

图 1.1 丁醇/生物柴油液滴直径平方与温度变化规律以 BU25 在 800℃条件下的蒸发为例，由图可知，在瞬态加热阶段致保持不变，这主要是由于质量蒸发速率随着液滴表面温度的升化平方直径的减小，与此同时，液体的密度随着温度的升高而降化平方直径的增加，正是由于两者的竞争关系导致了瞬态蒸发阶持不变。在起伏蒸发阶段，归一化平方直径表现出高频率的波动的低沸点燃油气泡的一次又一次的膨胀和破碎。由图还可知，起的斜率低于瞬态加热阶段，这是因为在起伏蒸发阶段不仅仅具有蒸发模式也开始进行了，两种蒸发模式的同时进行使液滴的升温，液滴蒸发进入平衡蒸发阶段，由于丁醇在平衡蒸发阶段之前已液滴的平衡蒸发阶段归一化直径平方没有明显的波动。9]等人研究的煤油凝胶燃油单液滴的蒸发过程又与醇类掺混燃油单，其蒸发过程分为四个阶段：①煤油的传统蒸发过程；②凝胶层

凝胶液,煤油,变化规律,直径

华中科技大学硕士学位论文行，着火点低于其他组分的煤油逐渐被消耗，与此同时，着火点被蒸发燃烧，开始逐渐在液滴表面形成致密的凝胶层，进一步阻燃烧，从而导致液滴内部的气泡产生。③煤油单液滴内部出现大逐渐凝结成核成为大气泡，，并且由于凝胶层的存在导致液滴内部围环境蒸发，只有少部分凝胶层内部的气泡可以爆破排出已蒸发气泡尺度将逐渐增大。④微爆的产生。当气泡内部的压力大于凝液滴外部致密的凝胶层再也无法束缚液滴内的气泡，已蒸发气体象产生。种过程，其实可以归纳为低沸点组分占比较少的三阶段过程，以多的四阶段过程。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464

【参考文献】