CeO2纳米燃油单液滴蒸发数值模拟研究

基于单液滴蒸发可视化试验,应用ANSYS FLUENT计算流体力学模拟软件,建立纳米燃油单液滴蒸发模型,探究纳米粒子质量浓度和粒径对燃油液滴蒸发过程中温度和燃油蒸气质量浓度的影响. 结果表明,纳米燃油液滴中的纳米粒子质量浓度越高、粒径越小,燃油液滴的蒸发平衡温度越高,相同时间内的燃油蒸气气相体积分数越高. 在环境温度573 K下,纳米燃油液滴从外界环境吸收热量使自身温度不断升高,在计算域内沿液滴表面向外延伸形成质量浓度边界层和温度边界层,促进液相向气相的转化.在蒸发初始阶段,蒸发速率较低,燃油蒸气气相体积分数较小;随着蒸发过程持续进行,由于纳米粒子增强传热传质的作用,液相组分蒸发汽化加快,液滴蒸发速率加快.     

基于大涡模拟的液滴蒸发液相传热过程

建立了燃油液滴蒸发瞬态气液两相流大涡模拟流体体积(VOF)模型,综合考虑了气液两相流流场,气液相界面的温度梯度和浓度梯度等因素,研究了气液相温度梯度和雷诺数对液滴液相传热的影响.研究结果表明:随着温度梯度的增大,液滴温度显著提高,温度梯度越大,液滴温度增加幅度越大;雷诺数不仅能够影响液滴周围流场的分布,而且还引起液滴内部温度场分布的变化;随着雷诺数的增大,液滴内部加热区域逐渐均匀,雷诺数越大,液滴的温度越高.     

多组分燃料液滴高温蒸发耦合机制研究

以高挥发性的乙醇与低挥发性的加氢生物柴油和柴油构成的多组分混合燃料为研究对象，研究了单个液滴在高温下的内部蒸汽气泡动力学及蒸发特性。在恒温加热炉中，采用挂滴法结合高速显微成像技术，在773、873和973 K温度下，捕捉了加氢生物柴油-乙醇-柴油混合燃料液滴在蒸发过程中的形态变化，分析了液滴的归一化平方直径和寿命等特征。研究表明，在773 K下，蒸发过程较平稳，液滴体积均匀减小，而在973 K下，0.093 s时液滴内开始产生微小气泡并逐渐增大；在0.767 s时再次形成微小气泡，并于0.907 s时出现第2次破裂。升高环境温度有助于增加燃料液滴的蒸发速率，加剧蒸发过程中的微爆现象，一定程度上缩短了液滴的蒸发时间；蒸发过程中液滴内部的气泡增长与汽液界面的Rayleigh-Taylor不稳定性有关，且在液滴表面观察到了表面张力现象；与柴油相比，随着二元燃料中加氢生物柴油含量的增加，组分对蒸发的抑制作用更强，与二元燃料相比，三元燃料中的乙醇促进了微爆，缩短了液滴蒸发；三元燃料的液滴蒸发按序呈现乙醇主导、乙醇和柴油共同主导以及三者共同蒸发3个典型特征阶段。     

盐水液滴蒸发析晶实验研究及其反应工程法的单液滴模型

为建立适用于盐水喷雾蒸发数值模拟的单液滴蒸发模型,开展了NaCl溶液的单液滴蒸发析晶研究。首先,搭建了可同时测量液滴质量、温度、粒径的单液滴蒸发可视化实验平台,基于液滴的流致振动特性,提出了利用低通滤波改善振动信号对质量测量影响的方法;其次,开展了初始质量分数为10%的NaCl溶液液滴蒸发实验,明确了盐分析出对液滴温度、粒径和蒸发率的影响规律;最后,基于实验数据,获得了相对活化能和无量纲粒径随液滴干基含水率的变化关系,并建立了NaCl溶液液滴的反应工程法模型。数值模拟结果表明：所提模型预测结果的最大相对误差小于8%。该实验平台可为含析出性溶质液滴干燥过程中的质量测量提供重要借鉴,所提出的反应工程法模型也可用于NaCl溶液喷雾干燥的大规模高效数值计算。     

增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃机制的数值研究

通过利用多维计算流体动力学(CFD)耦合一个多组分汽油替代物的骨架反应机理,对增压直喷汽油机中润滑油液滴诱发早燃的机制进行了研究。首先,在模拟增压高强化汽油机压缩上止点热力学状态的定容圆柱网格内,研究了润滑油液滴的存在对汽油/空气混合气自燃过程的影响,结果表明:以正庚烷和过氧氢酮分别作为润滑油蒸发产物时润滑油液滴的存在均可缩短混合气的着火延迟时间,尤其是以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物时混合气的着火延迟时间缩短更为明显;随着润滑油液滴粒径的增大,混合气的着火延迟时间先缩短后延长,润滑油液滴温度和混合气的温度、压力升高会进一步缩短混合气的着火延迟时间。然后,以过氧氢酮作为润滑油蒸发产物,在增压直喷汽油机动网格内模拟了润滑油液滴存在时缸内混合气的自燃过程,结果表明:润滑油液滴蒸发释放出了着火性能较好的组分,缩短了液滴周围混合气的着火延迟时间,导致液滴周围混合气在火花点火之前自燃,从而引发早燃。最后,根据以上结论提出了一个润滑油液滴诱发早燃的机制。     

脱硫废水液滴旋转喷雾蒸发的数值模拟

以江苏某燃煤电厂的脱硫废水旋转喷雾蒸发设备为研究对象,对液滴蒸发效果的影响因素开展数值模拟研究。通过用户自定义函数(UDF)的方法将反应工程法(REA)编译到Fluent DPM模型中,完善废水液滴蒸发过程的传热和传质数学模型;研究烟气分布器导流板偏转角度、雾化盘旋转方向等对液滴蒸发效果的影响。研究结果表明：REA-DPM模型能够准确地描述废水液滴的蒸发过程,与电厂现场测试结果的相对误差在5%以内,说明模型的可靠性较好;增大外导流板偏转角度,有利于增强烟气旋流强度,缩短液滴竖直蒸发距离,实现更好的液滴蒸发效果;液滴射流方向与烟气旋流方向相反时,液滴运动要克服烟气旋流,有利于避免液滴碰壁的发生,并且逆向流动的对流换热作用更强,能促进液滴的蒸发。     

基于彩虹技术的蒸发液滴温度分布测量

基于多层球彩虹的Debye级数分解理论,结合蒸发液滴的集总参数模型、折射率指数模型以及三次多项式分布模型,模拟计算液滴的折射率及温度参数。数值计算结果表明,三次多项式模型中温度分布曲线与试验数据更匹配,无需辅助手段测量液滴表面温度,能够直接求解蒸发液滴的温度分布曲线。利用三次多项式模型结合改进的彩虹测量算法,具有较高的反演精度且避免其他模型存在的多解问题,能够准确反演蒸发液滴内部的温度分布。     

正十二烷单液滴在含乙醇氛围中的蒸发特性

考虑液滴与环境气流物性瞬态变化的单液滴非平衡蒸发,建立了模型,研究正十二烷液滴在含乙醇氛围中的对流蒸发过程,获得环境参数(环境温度、压力、对流强度、环境气体中乙醇蒸气和水蒸气质量分数)对液滴蒸发特性的影响规律.计算结果表明:环境因素中影响液滴蒸发的主要因素是环境温度、环境压力和对流强度,乙醇蒸气和水蒸气质量分数对液滴蒸发特性几乎没有影响;环境温度和对流强度的增加,有利于液滴蒸发;对初始温度较低的燃料液滴,环境压力对蒸发的影响与环境温度、气流相对速度相关;在一定的热环境参数下,压力效应发生逆转;增加液滴周围气体中乙醇蒸气质量分数和降低水蒸气质量分数,会加速液滴蒸发,液滴寿命略微缩短.     

单液氮液滴在气流中的蒸发运动特性研究

为了研究低温风洞中液氮喷雾降温蒸发特性,从而从微观上把握整个喷雾过程,以经典蒸发模型为基础,建立了适用于高速气流下的单液滴蒸发模型,计算了高速气流下单个液氮液滴的蒸发过程,得到其蒸发过程中液滴直径、速度、蒸发速率等参数的变化规律,并比较了环境温度、环境压力、气流速度等不同因素对各参数的影响。结果表明:环境温度对液滴蒸发速率影响较大,在100~300K环境温度下,每升高100K,2m的距离内液滴相对蒸发量大约增加18%,而对液滴运动速度则基本没有影响;气流速度越大,对流换热越强,液滴等时间蒸发速率越大,但由于蒸发距离一定,高速气流情况下的实际蒸发量减少,在上述条件下,10~30m/s的速度范围内,相对蒸发量在5%~6%;大粒径液滴具有大的绝对蒸发量,而小粒径液滴的相对蒸发量则较大;随着环境压力的增大,蒸发速率会随之增加。     

基于格子Boltzmann方法的两液滴相溶模拟

原多组分Shan-Chen模型在模拟气液流动时受到密度比的限制,经过测试,该模型在模拟气液流动时最大密度比为50左右。本文提出了利用改进后的多组分Shan-Chen模型模拟密度比为175的两液滴相溶,模拟结果与实验结果相符。     

静止液态甲烷饱和单液滴蒸发模拟

经典液滴蒸发模型无法适用于LNG制冷剂在其蒸气中的蒸发过程模拟。采用数值模拟方法,建立静止饱和甲烷液滴在其蒸气中蒸发的新模型。利用该模型对液滴蒸发过程进行计算。结果表明:模型计算结果准确可靠;气液界面蒸气喷出速度与液滴半径成反比,与温差成正比;"吹拂效应"使温度边界层变厚,热流密度减少;温差为190 K、半径为0.5 mm工况下,"吹拂效应"影响最剧烈,使温度边界层增厚28.8%,热流密度减小27.7%;质量蒸发率随温差以及半径增大而增大且与半径、温差之间具有一定的数学关系。     

高温燃气中单个液滴的蒸发特性

为分析单个液滴在高温燃气中的运动和蒸发过程,考虑了气-液两相耦合,建立了描述整个过程的数理模型,并通过计算获得了液滴直径、速度和平均温度的变化规律以及燃气温度和速度的影响.计算结果显示,较高的燃气温度和速度都能加速蒸发过程.另外发现当燃气温度沿液滴运动方向降低时,存在一个临界液滴直径,小于该值时,燃气速度越高液滴蒸发时间越短,超过该值时,燃气速度越高液滴蒸发时间越长.在文中的计算条件下测得该临界值约为100ìm.所得结果可为雾化液滴群在高温气流中的蒸发特性研究提供依据.     

静止环境中甲醇液滴蒸发的数值模拟

采用单液滴非平衡蒸发的数学物理模型,研究了静止环境中甲醇液滴的瞬态蒸发特性,获得了不同环境压力、环境温度和液滴的初始温度条件下液滴半径和液滴温度的变化规律.结果表明,随着环境压力的升高,液滴所达到平衡蒸发温度上升,在环境温度高于临界温度时,液滴蒸发加快,而在环境温度低于液滴临界温度时,液滴蒸发减慢.随着环境温度的上升,液滴蒸发速度加快,液滴达到的平衡温度上升.液滴初始温度对瞬态加热阶段的蒸发有一定的影响,而对平衡蒸发阶段的蒸发几乎没有影响.     

单液滴运动相变模型

在对汽水分离装置中液滴运动过程中的相变现象描述和物理机理解释的基础上,结合压力变化条件下静止单液滴相变模型的基础和液滴运动模型,建立了单液滴运动相变模型。该模型给出了液滴运动过程中,由于流动阻力和局部结构改变造成压力降低,打破汽液相平衡而造成液滴的快速蒸发和汽液相平衡蒸发2个阶段的机理解释和数学表述,与已有结果和理论分析结果均较符合。该模型可以用于液滴在重力分离空间、旋风和旋叶分离器、波纹板分离器等汽水分离装置中运动相变过程中的分离效率计算,衡量液滴相变对汽水分离性能的影响,指导分离装置结构的优化设计。     

液化天然气饱和单液滴蒸发模型及其吹拂效应的影响

采用计算流体动力学方法,基于液滴界面能量守恒原理建立了液化天然气饱和单液滴蒸发模型,以对不同的温差、相对速度及液滴粒径的液滴在同种蒸气中的蒸发过程进行模拟,并分析了吹拂效应的影响.结果表明:增大温差、相对速度及液滴粒径,均会使得液滴界面换热量增大;随着温差增大,温度边界层厚度及其比值逐渐增加,但考虑与未考虑液滴蒸发时液滴界面换热量之比呈现出分段变化特征,液滴的运动使得其分段点提前,且吹拂效应的影响增大;随着相对速度增加,吹拂效应对液滴蒸发的影响减弱,当相对速度大于18 m/s时,吹拂效应的影响可以忽略;随着液滴粒径增加,吹拂效应的影响基本保持不变.     

燃煤电厂脱硫废水在烟道中的蒸发及流动特性数值模拟

利用燃煤电厂尾部烟道的烟气余热来实现脱硫废水的喷雾蒸发是实现其零排放的有效途径,以国内某燃煤电厂330 MW火力机组的烟道为研究对象,利用DPM模型对雾化液滴群在高温烟道内的蒸发及流动特性进行了研究,考察了不同雾化嘴角情况下液滴碰壁情况、不同负荷下液滴的蒸发情况,研究结果表明：在50%、75%、100%烟气负荷工况下,烟气温度越高、烟气速度越快,雾化液滴群完全蒸发所需时间越少,液滴最大蒸发时间在2.85~3.36 s之间。在单烟道结构的最佳喷嘴雾化锥角为65°情况下,越靠近烟道内侧,涡的尺寸越大,越有利于促进喷嘴区的局部液滴群不断向其他区域扩散。     

亚/跨临界状态下不同组分燃油液滴蒸发特性分析

亚/跨临界状态对不同燃油液滴的蒸发规律有很大影响,通过搭建高温定容液滴蒸发测量装置,测量了处于不同临界状态的C12 H26、C14 H30、柴油和生物柴油液滴的液滴寿命、液滴直径、液滴蒸发速率等参数,分析了4种不同组分液滴的蒸发过程、蒸发特性.结果表明:与亚临界状态(温度为573 K)相比,4种液滴处于跨临界状态(温度...     

纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究

为了探明麻疯树生物柴油(JME)燃料的蒸发过程,通过碱性酯交换反应制备了JME,并采用热电偶挂滴技术研究了在673 K和873 K的环境温度下JME单液滴的膨化和蒸发特性,分析了环境温度对JME液滴蒸发过程的影响。结果表明,JME液滴的蒸发过程分为瞬时加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段;在673 K和873 K下JME液滴的蒸发特性不同,673 K下液滴的蒸发只存在膨胀过程,没有发生微爆,液滴寿命较长,而873 K下液滴出现了微爆现象,液滴寿命较短;环境温度的升高可以提高JME液滴的蒸发速率,这是因为JME中挥发性成分较多,其挥发后形成气泡,在高温下液滴发生膨化和微爆,这样可以更好地实现空气-燃料混合,提高柴油机的燃烧效率。     

离子风作用下液滴的振荡蒸发特性

设计搭建了离子风作用下液滴蒸发试验装置,研究了不同电场和环境气体中去离子水液滴的蒸发速率、振幅和振荡频率等动态蒸发行为参数,并测量了离子风的流场速度分布.结果表明：当电压低于起晕电压时,电场力会降低液滴蒸发速率;当电压高于起晕电压时,离子风的形成会强化液滴蒸发;电压和气体离子迁移率的增加均会提高离子风的风速,加剧液滴振荡,提高液滴蒸发速率;相比液滴自然蒸发,离子风作用下液滴蒸发速率的最大增强比可达9.89;随着电压增大,离子风从不稳定状态转变为稳定状态.     

纳米流体液滴瞬态蒸发速率影响因素实验研究

为了提升喷雾冷却等液滴蒸发应用过程的瞬态蒸发速率,该文探究纳米颗粒的加入对液滴瞬态蒸发特性的影响规律。通过可视化实验研究了水基CuO、Al_2O_3纳米流体液滴在加热铜基板上的瞬态蒸发速率,测量了液滴蒸发过程中接触角、接触半径等形态参数随时间变化关系,并分析了纳米颗粒质量分数、基板加热温度对纳米流体液滴瞬态蒸发速率的影响规律。实验结果表明:纳米颗粒的加入有利于提升液滴蒸发速率,当基板温度为45℃时,与纯水液滴瞬态蒸发速率单调递减规律不同,2%质量分数的纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间呈现先降低后升高的变化规律;在较高基板温度(60℃、75℃)时,纳米颗粒对液滴瞬态蒸发速率提升作用并不是随着颗粒浓度的增加而一直增加。实验发现1%质量分数纳米流体液滴蒸发速率要高于0.1%与2%质量分数液滴。