超臨界環(huán)境對柴油機碳氫燃料液滴蒸發(fā)過程的影響

1、    超臨界環(huán)境對柴油機碳氫燃料液滴蒸發(fā)過程的影響    李瑞娜 胡全 張浩 吉玉清 唐純逸摘 要：本文分析了正十二烷（c12h26）在寬溫度壓力范圍條件下的物理特性，探討了柴油機液滴在超臨界環(huán)境的變化規(guī)律。c12h26的粘度、密度、比熱容等物理特性在臨界點處發(fā)生劇烈變化，在壓力為1.5mpa溫度為640k時，密度將會隨著溫度的繼續(xù)升高下降1.88mol/l，下降幅度達80%;在超臨界環(huán)境中，燃油液滴蒸發(fā)不再遵循d2定律，液滴由亞臨界狀態(tài)的表面蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)的擴散。關(guān)鍵詞：柴油機; 碳氫燃料; 超臨界; 液滴蒸發(fā)中圖分類號：tk407.9

2、0;       文獻標識碼：a         文章編號：1006-3315（2021）12-163-002柴油機渦輪增壓等高效燃燒方式使缸內(nèi)溫度和壓力越來越高，甚至遠遠超過燃料的臨界點，這導(dǎo)致燃料的物化性質(zhì)就會發(fā)生劇烈變化，使柴油機缸內(nèi)的霧化和燃燒大為不同。物質(zhì)的壓力和溫度同時超過它的臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)稱為該物質(zhì)的超臨界狀態(tài)。超臨界流體是一種特殊的流體。在超臨界環(huán)境下的流體不存在汽化的概念，超臨界環(huán)境下蒸發(fā)過程可能不復(fù)存在。此外在噴霧處于超臨界的情況下，液相燃料的表面在環(huán)境氣體的加熱下可能會轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界流

3、體，從而導(dǎo)致表面張力的消失，射流破碎過程也將不復(fù)存在，取而代之的是由氣動力和黏性力主導(dǎo)的湍流混合過程1。因此，研究超臨界環(huán)境中液滴蒸發(fā)具有重要意義。1.c12h26燃料特性分析柴油是由碳原子數(shù)為10-22的烴類混合物。考慮到柴油為混合物，為了簡化分析過程，采用與柴油物理性質(zhì)相近的c12h26為燃料。c12h26臨界溫度為658.1k，臨界壓力為1.82mpa。本文重點分析了其在臨界點附近的物理特性的變化。1.1c12h26的粘度分析圖1是c12h26的粘度隨溫度壓力的變化曲線。由圖可知，壓力一定時，c12h26粘度變化的總體趨勢是隨著溫度的升高而降低。而當c12h26環(huán)境壓力低于臨界壓力時，隨

4、著溫度的升高，c12h26發(fā)生相變。由液態(tài)經(jīng)過固液共存區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，而當c12h26處于固液共存區(qū)時，溫度與壓力都不會發(fā)生變化。而隨著溫度的繼續(xù)升高，c12h26發(fā)生相變成為超臨界流體，此時粘度由于c12h26發(fā)生相變而發(fā)生突發(fā)性減小。而當c12h26壓力超過臨界壓力時，此時升高環(huán)境溫度，將會使c12h26直接由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，而不會出現(xiàn)氣液共存的狀態(tài)，此時的溫度變化相對均勻，于是粘度變化相對不那么劇烈，且隨著壓力超過臨界壓力的程度而越變化越平滑。從圖1中可以看出，在環(huán)境壓力為1.5mpa的條件下，當溫度到達640k附近時，粘度突發(fā)性減小了35upa*s;而當環(huán)境壓力為2.3mpa時，粘度

5、的減小與環(huán)境溫度的變化成正比關(guān)系，表明其隨著溫度的變化，c12h26由亞臨界態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)。而當溫度低于臨界溫度時，c12h26處于亞臨界狀態(tài)，此時粘度隨壓力升高而略微降低，甚至?xí)捎趬毫Φ纳叨l(fā)生相變，由氣相變化為液相。而當溫度高于臨界溫度的時候，此時c12h26處于超臨界狀態(tài)，環(huán)境壓力越大，分子間距越小，分子之間的摩擦也越大，從而導(dǎo)致粘度增加。1.2 c12h26的密度分析圖2給出了c12h26的溫度變化曲線，由圖可知，壓力一定時c12h26的密度隨著溫度的升高而降低。當壓力低于臨界壓力時，隨著環(huán)境溫度的升高，c12h26經(jīng)過固液共存的狀態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，此時密度將會突發(fā)性減小，

6、當環(huán)境溫度超過臨界溫度時，c12h26成為超臨界流體，此時的密度隨著溫度的升高而緩慢減小。而當壓力超過臨界壓力時，c12h26隨著溫度的升高會直接由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，而密度也隨之發(fā)生急劇變化，但相對于處于亞臨界狀態(tài)的c12h26，變化發(fā)生得相對平滑。同時可以看出，當壓力為1.5mpa時，隨著溫度升高到640k時，密度將會下降1.88mol/l，下降幅度達80%，斜率為-0.36;而當壓力為2.3mpa時，當溫度到達670k時粘度才下降得比較迅速，此時斜率約為-0.06，相比壓力為1.5mpa時斜率減小了83%。而隨著壓力的升高，c12h26密度總體呈增大的趨勢，且當溫度低于臨界溫度時，由于壓力的

7、升高，將會導(dǎo)致c12h26由氣態(tài)經(jīng)氣液共存區(qū)而向液態(tài)的轉(zhuǎn)變，此時的密度由于發(fā)生相變而產(chǎn)生劇烈變化。而由于液體難以壓縮，當c12h26處于液態(tài)時，升高壓強并不會對密度產(chǎn)生強烈影響，而溫度高于臨界壓力時，c12h26處于氣態(tài)，隨著壓力的增大，c12h26的比體積將會減小，而密度將會增大。1.3 c12h26的比熱容分析圖3是不同壓力下c12h26比熱容隨溫度變化曲線。由圖可知，c12h26的定容比熱容在c12h26處于液態(tài)時隨著溫度的增加而增加，當c12h26由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時，其比熱容會到達一個峰值。而后隨著溫度的變化，比熱容將會先減小之后又緩慢增加?？梢钥闯?，峰值出現(xiàn)的溫度隨著壓力的升高而越來越

8、高，且隨著壓力的升高，峰值的cv值也越來越大。當壓力為1.5mpa時，溫度僅為640k，峰值就已經(jīng)出現(xiàn)，其值為525j/（mol*k），而當壓力為2.3mpa時，需要環(huán)境溫度達到675k，峰值才會出現(xiàn)，其值為547j/（mol*k）。當環(huán)境溫度不變，c12h26處于亞臨界環(huán)境和超臨界環(huán)境的比熱容隨壓力的變化不同。當c12h26處于亞臨界態(tài)時，比熱容隨著壓力的升高而降低;而當c12h26為超臨界態(tài)時，比熱容將會隨著壓力的升高而升高。2.超臨界環(huán)境對液滴蒸發(fā)特性的影響圍繞高溫高壓環(huán)境中液滴蒸發(fā)特性的變化規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者一般采用試驗、熱力學(xué)仿真等方法開展研究。馬小康等2采用石英絲掛滴技術(shù)研究了不同溫

9、度下正丁醇、柴油及其混合燃料的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：與柴油相比，高溫環(huán)境中正丁醇/柴油混合燃料的蒸發(fā)過程呈現(xiàn)三階段蒸發(fā)特性，液滴出現(xiàn)氣泡生成、膨脹和噴氣現(xiàn)象，液滴直徑波動劇烈。sazhin3總結(jié)了液滴內(nèi)部傳熱和蒸發(fā)過程的控制方程，提出了處理多組分液滴蒸發(fā)問題的方法。zhang等4針對多組分液滴蒸發(fā)過程建立了液滴內(nèi)部熱傳導(dǎo)和質(zhì)量運輸方程，并給出了多組分液滴物性的計算方法。在高溫高壓環(huán)境中，在臨界點附近燃料特性出現(xiàn)劇烈波動，高壓下的蒸發(fā)過程相對低壓下的經(jīng)典理論有明顯偏離，蒸發(fā)速率不符合d2定律5。有研究表明，由正庚烷在亞/超臨界環(huán)境下的氣液界面性質(zhì)進行的分子動力學(xué)模擬，得到了氣液相密度、界面厚度及界

10、面張力等性質(zhì)隨模擬分子數(shù)、截斷半徑及模擬溫度的變化規(guī)律6。3.結(jié)論通過對c12h26燃料特性的分析，重點分析了環(huán)境對燃料物化性質(zhì)的影響柴油機燃料液滴在超臨界下的相變過程的影響。環(huán)境壓力和溫度的變化將會導(dǎo)致c12h26的物理特性發(fā)生一系列的變化，特別是當c12h26以低于臨界壓力的環(huán)境由液態(tài)升溫轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)時，物理特性的變化將會極其劇烈。在超臨界環(huán)境中，燃油液滴蒸發(fā)不在遵循d2定律，液滴由亞臨界狀態(tài)的表面蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)的擴散?；痦椖浚航K省自然科學(xué)基金項目（bk20200910），天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室開放課題（k2020-12），江蘇省教育廳自然科學(xué)研究項目（20kjb4

11、70015），江蘇大學(xué)2020年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（202010299422x）參考文獻：1oschwald m， smith j j， branam r， et al. injection of fluids into supercritical environmentsj. combustion science and technology， 2006， 178（1-3）： 49-1002馬小康，張付軍，韓愷，等.柴油、正丁醇及其混合燃料單液滴蒸發(fā)特性的試驗j內(nèi)燃機學(xué)報，2016，34（01）：48-523sazhin s s. advanced models of fuel droplet heating and evaporationjprogress in energy and combustion science， 2006， 32（2）： 162-2144zhang h， law c k. effects of temporally varying liquid-phase mass diffusivity in multicomponent droplet gasific