固着纳米燃油液滴蒸发过程试验研究与数值模拟

发布时间：2018-01-04 21:33

  本文关键词：固着纳米燃油液滴蒸发过程试验研究与数值模拟　出处：《江苏大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：燃油中具有强催化或强导热性能的纳米级固体粒子添加剂不仅可以在发动机燃烧过程中发挥其优良的催化氧化能力降低CO、HC、PM等污染物的生成,而且能够强化基液燃油换热性能,使燃油液滴能够更快地吸收热量,有利于可燃混合气的形成。为了更好地理解纳米级固体粒子作为燃油添加剂对基液燃油吸热蒸发性能的影响,选用20nm、50nm两种粒径的CNT、CeO2、Co3O4纳米粒子,以单组分液体正十四烷(C14)替代柴油作为基液燃油、CTAB为分散剂配制50mg/L、100mg/L、150mg/L三种浓度的纳米燃油,结合液滴蒸发可视化试验与液滴蒸发过程中内部液相场模拟分析对固着加热水平平板纳米燃油液滴蒸发及变形行为进行了研究,并探究了纳米粒子浓度、粒径、种类对研究参数的影响。(1)采用试验方法分别对各纳米燃油基础物性参数:密度、动力粘度、气液表面张力进行测量。纳米粒子的加入增加了基液燃油密度,由于为微量添加,增加量很小,可忽略其对试验结果的影响。相比于基液燃油,纳米燃油动力粘度显著增加,且纳米粒子浓度越大、粒径越小,影响效果越明显。纳米粒子种类对基液燃油动力粘度增加幅度为CNTCeO2Co3O4。悬滴法测纳米燃油气液表面张力试验结果表明,纳米粒子的加入略微降低了基液燃油气液表面张力,且随着纳米粒子浓度的增加、粒径的减小降低幅度逐渐增大,粒径为20nm、浓度为150mg/L的CNT纳米燃油(20nm C150)降低效果最为明显,相比于基液燃油降低了5.10%。(2)采用JC2000C1型接触角测量仪研究纳米燃油液滴在180℃铸铝平板上的蒸发过程,液滴与平板初始接触直径与初始接触角分别在4.10mm、31.0°左右。分析了有效蒸发时间、无量纲接触直径、无量纲高度、无量纲质量及质量变化率随蒸发时间的变化关系。(3)固着加热水平平板纳米燃油液滴蒸发过程表现出了铺展阶段、定接触线蒸发阶段、定接触角蒸发阶段与混合蒸发阶段四个阶段。纳米粒子的“自钉销”作用使得纳米燃油液滴定接触线蒸发阶段随着粒子浓度的增加粒径的减小而增长。纳米燃油粘度及换热系数的增加导致“液-固-气”三相线处蒸发为主的定接触线蒸发阶段内部热对流强度的减弱与热量传递的加快,不利于液滴中心液体向“液-固-气”三相线处进行流动补充以及边缘处热量集聚区的建立,所以定接触线蒸发阶段纳米燃油液滴质量降低速率低于基液燃油液滴。在定接触角与混合蒸发阶段纳米燃油液滴内部温度梯度很小,热对流基本消失,蒸发发生在整个液滴表面,此时纳米粒子对基液燃油热传导的强化作用使得热量得到迅速传递,大大增加了液滴的质量降低速率。所以,纳米燃油液滴在有效蒸发过程的平均蒸发速率仍然较基液燃油液滴高,有效蒸发时间缩短。以上影响效果均随着纳米粒子浓度的增加、粒径的减小而增强,纳米粒子种类的影响效果为CNTCeO2Co3O4。(4)利用CFD流场模拟软件对二维平面C14纯组分燃油液滴及20nm C50纳米燃油液滴进行定接触线蒸发阶段内部液相流场及温度场演化过程模拟分析。蒸发初始阶段,受浮升力及Marangoni效应的影响,在液滴内部轴线两侧各产生一个由液滴中心区域到液滴底部再到液滴边缘处的对流涡,此时热量传递以热对流换热方式为主。与基液燃油C14相比,纳米燃油换热系数的强化使得其液滴内部液相温度升高加快,温度梯度快速降低,纳米燃油液滴内部液相粘度的增加及由温度梯度产生的浮升力的下降导致液滴蒸发过程内部液相热对流强度的减弱。随着蒸发过程的推进,液滴不断吸热,液滴内部温度梯度逐渐降低,热对流强度不断减弱,在蒸发后期接近临界接触角时,液滴内部热对流已基本消失,温度已趋于均匀且接近平板温度,此时热量传递以热传导换热方式为主。本文通过对单个固着纳米燃油液滴蒸发过程的实验与模拟研究,从微观角度分析了纳米粒子对液滴蒸发各个阶段蒸发速率及形态变化的影响机理,为更好地理解纳米粒子对促进燃油吸热蒸发及可燃混合气形成的影响提供了理论基础。
[Abstract]:In order to better understand the effect of nano - particle concentration , particle size and surface tension on the oil - fuel oil droplet evaporation and deformation behavior of the base - liquid fuel , the effect of nano - particle concentration , particle size and kind on the research parameters was studied . ( 2 ) The evaporation process of nano - fuel droplets at 180 鈩，

本文编号：1380197