【摘 要】
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甲醇作为一种低碳含氧的内燃机燃料,具有运动粘度低、汽化潜热高、沸点低、十六烷值低等特点。与柴油掺混后形成的甲醇/柴油混合燃料会对燃料喷雾特性和液滴相变过程产生影响。柴油机压缩冲程的缸内温度和压力会超过燃料的临界值,导致燃料的特性发生变化,进而影响混合气的形成。论文针对甲醇/柴油混合燃料的喷雾过程,采用试验测量与仿真模拟相结合的方法,对不同环境条件下甲醇/柴油混合燃料的喷雾特性、液滴相变过程和气液界
【基金项目】
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国家自然基金（51776089）,“含氧燃料燃烧颗粒高温凝相与热泳运移作用机理及衍化特性研究”；
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甲醇作为一种低碳含氧的内燃机燃料,具有运动粘度低、汽化潜热高、沸点低、十六烷值低等特点。与柴油掺混后形成的甲醇/柴油混合燃料会对燃料喷雾特性和液滴相变过程产生影响。柴油机压缩冲程的缸内温度和压力会超过燃料的临界值,导致燃料的特性发生变化,进而影响混合气的形成。论文针对甲醇/柴油混合燃料的喷雾过程,采用试验测量与仿真模拟相结合的方法,对不同环境条件下甲醇/柴油混合燃料的喷雾特性、液滴相变过程和气液界面变化规律开展了研究。通过搭建常温常压甲醇/柴油混合燃料喷雾试验台,获取了甲醇/柴油混合燃料的喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾锥角等参数的变化规律,考察了甲醇掺混比对甲醇/柴油混合燃料喷雾特性的影响。研究结果表明,掺混甲醇会使喷雾的惯性力减小,抑制喷雾的轴向扩展,使喷雾贯穿距减小,但是增强了燃料的挥发性,促进喷雾的径向扩展,使喷雾锥角增大;甲醇掺混比越高,喷雾贯穿距越小,喷雾锥角越大。针对环境温度、环境压力和甲醇掺混比对甲醇/柴油混合燃料喷雾特性的影响,采用Converge软件建立并验证了甲醇/柴油混合燃料的喷雾仿真模型,模拟了不同环境条件下,纯柴油（D100）、10%甲醇掺混比混合燃料（D90M10）、20%甲醇掺混比混合燃料（D80M20）的喷雾过程。研究结果表明,环境温度和压力的升高加速了燃料的汽化,喷雾末端宽度缩短,液相喷雾体积减小32.6%。掺混甲醇后,燃料与环境气体之间的温度梯度降低、喷雾中心区域温度升高、喷雾前端区域密度下降、喷雾前端速度下降、喷雾SMD减小,喷雾更容易发生破碎,有利于混合气的形成。搭建了液体燃料的高温定容蒸发试验装置,研究了甲醇掺混比对甲醇/柴油混合燃料液滴蒸发过程的影响,分析了环境温度为573K、773K、973K时液滴蒸发特性评价参数的变化规律。研究结果表明,当环境温度为573K时,D100、D90M10、D80M20的液滴蒸发过程分为初始吸热阶段和稳态蒸发阶段,液滴不会发生破碎,液滴直径的变化符合d~2定律。当环境温度升高至773K和973K后,液滴蒸发速率增加,液滴寿命减小;掺混甲醇后,混合燃料受到表面张力的约束减小,液滴发生破碎,液滴蒸发过程从两阶段变为三阶段,出现波动蒸发阶段;在波动蒸发阶段,甲醇相变速度加快,液滴会发生多次膨胀破碎,液滴直径不再严格服从d~2定律。随着甲醇掺混比的升高,液滴更容易发生破碎,液滴直径波动幅度增大,蒸发速度加快。为了进一步探讨环境温度和压力对甲醇/柴油混合燃料液滴蒸发过程的影响,采用分子动力学软件Materials Studio（MS）,建立了不同环境条件下甲醇/柴油混合燃料的液滴蒸发模型。研究结果表明,当环境条件从T=573K、P=1MPa提升至T=773K、P=3MPa,燃料分子热运动加强,液滴气液界面厚度增加、均方位移增加37.7%、液滴表面张力降低66.7%。当环境条件从T=573K,P=1MPa提升至T=973K,P=7MPa,燃料分子的均方位移增加2.29倍,表面张力会在蒸发开始后迅速消失,液滴的界面厚度会在蒸发结束前就发生激增,原有气液界面的物理结构解体,液滴寿命减小。采用MS软件,建立了氮气氛围下的液膜气液界面相变模型,模拟了高温高压环境条件下液膜的相变过程,分析了环境条件对相变特征参数和相变模式主导因素的影响。研究结果表明,液膜从亚临界状态转变为超临界状态可以分为三个阶段:亚临界蒸发阶段、临界状态过渡阶段和超临界扩散阶段。环境温度和压力的提高均可以减少临界状态过渡所需的时间;当环境压力不变时,随着环境温度提升,临界状态转换速率增加。当环境温度不变时,随着环境压力提升,临界状态转换速率降低。液膜达到超临界状态后,液膜温度急剧升高、液膜密度与环境气体密度趋于一致、氮气溶解度增加、径向分布函数的峰值减小、扩散系数增加一个数量级,相变模式由蒸发转变为扩散,相变速度加快,相变时间缩短。研究工作对深入分析甲醇/柴油混合气的形成机理、拓展高温高压环境下的燃油-空气混合模型具有重要意义,为改善混合气的形成、优化发动机燃烧过程提供了依据。
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