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环境温度对掺水乳化柴油蒸发的影响研究

工程热物理学报 2022年第8期43卷 2256-2266页

作者：王兆文曹俊辉袁波王宇洲成晓北华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074

本文采用挂滴法研究了掺水质量分数30%(W30)的乳化柴油单液滴在573 K、673 K、773 K和873 K下的蒸发特性。结果表明,随着环境温度升高,归一化平方直径先增加后减小,首次微爆时刻逐渐小于进入准稳态时刻,而微爆频率先减小后增加,其微爆... 详细信息

本文采用挂滴法研究了掺水质量分数30%(W30)的乳化柴油单液滴在573 K、673 K、773 K和873 K下的蒸发特性。结果表明,随着环境温度升高,归一化平方直径先增加后减小,首次微爆时刻逐渐小于进入准稳态时刻,而微爆频率先减小后增加,其微爆强度也先减小后增加,773 K是转捩点温度。本文还发现随着环境温度的升高,液滴气泡成核从单位点成核逐渐演变为多位点成核,并导致了大气泡形成过程从与强微爆过程重合过渡到与弱微爆过程重合,最终与强微爆和弱微爆过程分离。

关键词：掺水乳化柴油单液滴蒸发微爆气泡成核

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掺水乳化柴油单液滴蒸发特性可视化实验研究

掺水乳化柴油单液滴蒸发特性可视化实验研究

作者：迟浩华中科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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)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。

关键词：掺水乳化柴油单液滴蒸发微爆索特平均直径

乙醇柴油与掺水乳化柴油的喷雾及燃烧特性对比研究

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乙醇柴油与掺水乳化柴油的喷雾及燃烧特性对比研究

作者：李磊华中科技大学

学位级别：硕士

随着我国汽车工业的发展,内燃机的污染物排放已经成为我国环境恶化的主要来源之一。合适的新型替代燃料可以在较少改变柴油机具体结构的情况下,大幅降低内燃机的soot和NOx排放,已成为当今研究热点,而乙醇柴油,乳化柴油等替代燃料被认为... 详细信息

随着我国汽车工业的发展,内燃机的污染物排放已经成为我国环境恶化的主要来源之一。合适的新型替代燃料可以在较少改变柴油机具体结构的情况下,大幅降低内燃机的soot和NOx排放,已成为当今研究热点,而乙醇柴油,乳化柴油等替代燃料被认为是常见的可行性燃料。本文先采用预燃式定容燃烧弹系统和高速数字纹影法光学系统,对喷油压力为100MPa50MPa、环境密度为7.5kg/m35kg/m3、环境温度为800K200K、氧浓度为15%1%时的含10%乙醇的乙醇柴油的冷态喷雾、喷雾蒸发和燃烧试验进行了可视化研究。然后,又进行了纯柴油、掺10%水的乳化柴油的冷态喷雾、喷雾蒸发及燃烧特性的对比研究。分别分析了柴油中掺入乙醇和水对冷态喷雾、喷雾蒸发及燃烧特性的影响。在乙醇柴油冷态喷雾试验中,喷油压力越高,喷雾贯穿距越长,雾化面积和体积越大,雾化效果越好;环境密度越高,喷雾贯穿距越短,喷雾锥角越大,雾束横向卷吸能力提高,但整体雾化效果下降,雾化面积和体积变小。在喷雾蒸发试验中,雾形总体上与冷态喷雾特性规律相似,但环境温度的升高能促进燃油的蒸发。在喷雾燃烧试验中,环境温度越高,环境密度越大,氧浓度越高,燃烧滞燃期越短,稳态区火焰升举长度距离喷孔位置越近,火焰综合亮度峰值越高,Soot的氧化速度越快,使得最终生成的Soot排放量反而越少;而喷射压力越高,燃油雾化效果越好,燃烧滞燃期越短,燃烧持续期也越短,火焰综合亮度峰值越低,燃烧生成的Soot量越少,同时Soot的氧化速度越快,说明提高喷射压力能有效降低最终碳烟的残留量。本文还对比了乙醇柴油E10与纯柴油E0、掺水乳化油W10的喷雾蒸发及燃烧特性。结果表明,乙醇柴油E10的冷态喷雾和蒸发特性与纯柴油E0、掺水乳化油W10差别不大,而能在一定程度抑制柴油的着火燃烧,延长滞燃期,增大火焰升举长度,对燃烧火焰综合亮度有明显影响,燃烧火焰综合亮度峰值由高到低依次为E10>E0>W10,由对比图可知,柴油中掺入10%的乙醇和10%的水均降低燃烧最终的Soot排放。

关键词：乙醇柴油掺水乳化柴油冷态喷雾喷雾蒸发燃烧可视化

基于图像处理的掺水乳化柴油液滴蒸发特性研究

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基于图像处理的掺水乳化柴油液滴蒸发特性研究

作者：陈俊杰华中科技大学

学位级别：硕士

目前我国汽车市场仍以燃油车为主,并且燃油汽车的保有量仍将逐年增大,导致环境问题和能源问题日益严峻。出于减少传统能源消耗和污染物排放的考虑,新型替代燃料的研究愈加重要。乳化燃料具有特殊的微观结构,其蒸发过程中能够产生独特的... 详细信息

目前我国汽车市场仍以燃油车为主,并且燃油汽车的保有量仍将逐年增大,导致环境问题和能源问题日益严峻。出于减少传统能源消耗和污染物排放的考虑,新型替代燃料的研究愈加重要。乳化燃料具有特殊的微观结构,其蒸发过程中能够产生独特的微爆现象。这一现象对于促进缸内油气混合、优化缸内燃烧、减少燃油消耗率、减少氮氧化物和颗粒物排放都有着明显的促进作用。目前乳化燃料单液滴的研究大多集中在各种宏观因素对其蒸发规律和微爆现象的影响规律上,而乳化燃油微观结构对微爆现象影响规律的研究相对较少。因此,进行乳化燃油的微观结构研究,并研究这些微观结构对乳化燃油单液滴蒸发特性的影响,具有较强的理论意义和实践价值。为了准确地获取掺水乳化柴油的微观结构,本文首先开发了乳化柴油微观结构处理程序,用于统计光学显微镜观测拍摄得到的掺水乳化柴油图像中分散相的直径和位置。能自动分辨不同亮度、不同背景噪声下的分散相边界,并将该微观结构图像转化为只保留分散相信息的二值图像。从而可以进一步利用图形检测的方法提取二值图像中分散相的直径和位置等微观特征。随后,为了量化分析掺水乳化柴油液滴的蒸发特性,本文开发了液滴蒸发实验图像中主液滴区域识别和液滴变化规律统计的图像处理程序。该程序可以将高频变化的主液滴从复杂图像背景中自动划分出来,并能将主液滴与悬挂液滴的热电偶相互分离,得到仅包含高频变化的液滴区域的简单图像。统计计算液滴区域的相关特征参数,可以实现单液滴的蒸发过程的准确定量分析。最后,基于本文的图像处理程序,采用悬挂法,详细研究了不同微观结构(分散相直径)的掺水乳化柴油的液滴蒸发特性。通过精准的,自动识别的图像处理程序,完成实验图像的数字处理后,得到了液滴蒸发过程的蒸发速率、归一化面积,最大膨胀尺度,累计微爆强度以及微爆频数等数据的变化趋势图像,分析了具有不同分散相直径对液滴蒸发过程的这些特征参数的影响。

关键词：掺水乳化柴油分散相直径单液滴图像处理程序蒸发特性

含水量和离散水滴直径对掺水乳化柴油喷雾特性影响研究

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含水量和离散水滴直径对掺水乳化柴油喷雾特性影响研究

作者：石书国华中科技大学

学位级别：硕士

掺水乳化柴油因其具有降低Soot和NOx排放,并同时提高燃烧热效率的潜力,而受到了研究者们的广泛关注,其中掺水乳化柴油中特有的微爆现象,被认为是该燃料节能减排的重要原因之一。深入研究内燃机实际工况下掺水乳化柴油的节能减排机理及... 详细信息

掺水乳化柴油因其具有降低Soot和NOx排放,并同时提高燃烧热效率的潜力,而受到了研究者们的广泛关注,其中掺水乳化柴油中特有的微爆现象,被认为是该燃料节能减排的重要原因之一。深入研究内燃机实际工况下掺水乳化柴油的节能减排机理及其蒸发喷雾过程中的微爆现象,具有较大的实际意义。本文利用电加热式定容燃烧弹台架,结合背光法学诊断技术和高功率频闪LED光源,以纯柴油W0和含水质量分别为10%,20%和30%的掺水乳化柴油W10,W20和W30为研究对象,重点研究了含水量对试验燃料蒸发喷雾特性的影响规律。研究结果表明,柴油中水的加入可有效促进燃料的雾化和蒸发过程,随着含水量的增大,试验燃料的蒸发喷雾锥角和体积均增大,水的蒸发和微爆对喷雾整体扩展能力的促进作用增强。随着喷射压力升高,掺水乳化柴油的喷雾贯穿距增大,稳态喷雾锥角几乎不随喷射压力的改变而发生变化,随着含水量的增大,燃料喷雾的径向扩展能力受喷射压力的影响更为明显。随着环境密度的增大,掺水乳化柴油的轴向贯穿距减小,燃料中水对喷雾横向扩展的促进作用增强,使得燃料喷雾在发展后期的整体扩展能力更强,燃油与空气的混合更为均匀,且随着燃料含水量的增大,环境密度对其蒸发喷雾过程的影响越明显。随后本文以纯柴油W0和含水质量分数为20%,离散水滴直径大小分别为5.08μm和6.91μm的掺水乳化柴油W20和W20-2为研究对象,重点研究了掺水乳化柴油中离散水滴直径大小对燃料蒸发喷雾过程的影响规律。结果表明,增大离散水滴直径有利于促进掺水乳化柴油的蒸发喷雾贯穿距和喷雾体积。随着喷射压力的增大,离散水滴直径对乳化燃料喷雾喷雾特性的影响逐渐减小,燃料的喷雾特性趋于一致。随着环境密度的增大,不同离散水滴直径掺水燃料喷雾特性间的差距增大,在高环境密度工况下大水滴直径燃料W20-2的蒸发喷雾贯穿距和喷雾体积明显大于小水滴直径燃料W20,W20-2燃料的蒸发喷雾锥角明显小于于W20的喷雾锥角。

关键词：掺水乳化柴油定容燃烧弹喷雾特性光学诊断频闪LED光源

分散相粒径对掺水乳化柴油单液滴蒸发与燃烧特性影响研究

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分散相粒径对掺水乳化柴油单液滴蒸发与燃烧特性影响研究

作者：王宇洲华中科技大学

学位级别：硕士

掺水乳化柴油不仅能够提高发动机热效率,也能同时降低NO和Soot的排放水平,这主要是水与柴油沸点差异性引起的微爆现象导致的。近年来,研究者们发现离散水核直径及分布对乳化柴油的微爆特性存在较大影响。因此,深入研究分散相粒径对掺水... 详细信息

掺水乳化柴油不仅能够提高发动机热效率,也能同时降低NO和Soot的排放水平,这主要是水与柴油沸点差异性引起的微爆现象导致的。近年来,研究者们发现离散水核直径及分布对乳化柴油的微爆特性存在较大影响。因此,深入研究分散相粒径对掺水乳化柴油单液滴蒸发与燃烧特性的影响规律,总结其影响微爆特性的机理,具有重要的理论与实际意义。首先,本文使用配置参数可调的超声乳化装置,通过基于正交设计的掺水乳化柴油制备试验,研究了配置参数对分散相粒径的影响规律。结果表明,采用对数正态分布函数拟合分散相粒径分布,其拟合曲线的相关性系数达到99.67%,并给出相应的表征参数拟合最大水核直径d和粒径分布标准差σ。提高超声波配置参数的水平,分散相粒径减小。各配置参数影响的显著性水平从高到低依次为:超声波输出功率P>持续时间t>输出频率f。根据正交试验结果调整配置参数,制备出本文所研究的五种分散相粒径(d(28)5,6,7,8,9μm)、三种含水量(含水质量分别为10%、20%、30%,以下简称W10、W20、W30)的掺水乳化柴油,拟合曲线表明,相同分散相粒径下不同含水量的乳化柴油具有相近的最大水核直径d和较小的粒径分布标准差σ。随后,分别在环境温度773 K和973 K下,研究了不同分散相粒径对W20液滴蒸发与燃烧特性的影响。结果表明,掺水乳化柴油液滴的蒸发与燃烧过程均表现出三阶段特性,分为瞬态加热阶段、起伏蒸发(燃烧)阶段和稳态蒸发(燃烧)阶段。本文基于每一次微爆前后的气泡破碎尺度,定量地描述了每一次微爆的强度,在液滴的起伏蒸发(燃烧)阶段中,将微爆分为三种类型:液滴内部大尺度气泡破碎引起的强微爆、液滴表面气泡破碎或液滴内部小尺度气泡破碎引起的弱微爆,以及离散水核协同蒸发引起的吹吸现象,这是由不同的离散水核聚合情况导致的。本文发现了一个新的微爆规律:液滴表层气泡破碎会引起液滴表面强扰动,从而破坏液滴的稳定状态,进而瞬时引发内部其他大气泡的破碎,即存在多气泡连续微爆特性,并给出了具体的机理分析。分散相粒径对微爆特性的影响表现出单峰性,当分散相粒径增大,离散水核表面张力减小、输运速率加快,水核间凝聚能力增强,瞬态加热阶段占比缩短,气泡成核、生长速率加快,促进微爆效应。但这也容易使液滴膨胀过程中在内部形成多个大气泡,导致表面破碎,破坏液滴油膜,造成水蒸气提前逸散,抑制微爆效应。因此,在液滴蒸发与燃烧过程中,随着分散相粒径的增大,液滴的起伏蒸发(燃烧)阶段占比、最大微爆强度、微爆频次和累计微爆强度均呈现出先增大后减小的趋势,而大尺度微爆引起的组分喷射则使液滴寿命呈现出先减小后增大的趋势。最后,进一步研究了含水量(W10、W20、W30)和环境温度(673 K到1073 K)对不同分散相粒径掺水乳化柴油蒸发与燃烧特性的影响。在773 K环境温度下,随着含水量的增加,离散水核数量增加、间距减小,从而提高液滴微爆的尺度和持续发生微爆的能力,液滴的起伏蒸发阶段占比、最大微爆强度、强微爆频次和累计微爆强度增加,液滴寿命缩短。但在973 K环境温度下,W30液滴的大尺度微爆导致了较多的组分喷射,造成其强微爆频次和累计微爆强度有所下降。对于所有的含水量,分散相粒径促进微爆的效应均呈现出单峰性。随着环境温度的增加(673 K到973 K),液滴的组分蒸发速率和离散水核输运速率提高,气泡成核、生长速率加快,液滴的最大微爆强度和强微爆频次增加,液滴寿命缩短。但当环境温度增加至1073 K时,液滴的燃烧极大地提高了附近温度,造成表面油膜快速蒸发,液滴的最大微爆强度和强微爆频次反而减小。环境温度的增加并不会提高液滴持续发生微爆的能力,因此液滴的起伏蒸发段时间和累计微爆强度变化较小。对于所有的环境温度,分散相粒径促进微爆的效应均呈现出单峰性。

关键词：掺水乳化柴油单液滴分散相粒径微爆蒸发燃烧

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掺混乙醇和水对柴油喷雾燃烧特性的影响

内燃机学报 2018年第1期36卷 27-36页

作者：王兆文伍尚李磊张新华唐劼成晓北华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074 中船动力研究院有限公司上海200120 上海热气机工程技术研究中心上海201203

采用预燃式定容燃烧弹系统,可视化研究了掺混乙醇和水对柴油冷态喷雾、蒸发喷雾及燃烧等特征的影响规律.结果表明:掺混乙醇和水会使混合燃油黏度增大,从而使乙醇柴油和掺水乳化柴油冷态喷雾的扩展能力明显低于纯柴油;乙醇和水在高温下... 详细信息

采用预燃式定容燃烧弹系统,可视化研究了掺混乙醇和水对柴油冷态喷雾、蒸发喷雾及燃烧等特征的影响规律.结果表明:掺混乙醇和水会使混合燃油黏度增大,从而使乙醇柴油和掺水乳化柴油冷态喷雾的扩展能力明显低于纯柴油;乙醇和水在高温下的微爆或汽化,不仅能增强混合柴油喷雾的扩展能力,同时也可以促进液滴的分裂,强化油、气的混合;在喷雾燃烧中,3种燃油的滞燃期为纯柴油柴油掺水乳化柴油,这表明乙醇和水的掺入均会抑制柴油的着火,延长滞燃期;乙醇的加入能提高柴油的燃烧效率和燃烧温度并使碳烟的氧化速率增大;水分的加入则可降低燃烧温度和碳烟的生成,加上水煤气反应能促进碳烟的消亡,从而使乙醇柴油和掺水乳化柴油的碳烟排放均比纯柴油小;在上游低温区,掺水乳化柴油的燃烧速度最小,纯柴油最大,在下游高温区则相反,掺水乳化柴油的燃烧速度最大,纯柴油最小,这表明随着环境温度的增高,水分微爆和蒸发对喷雾和燃烧的促进作用越来越显著.

关键词：乙醇柴油掺水乳化柴油冷态喷雾蒸发喷雾燃烧