以多組分碳氫為基礎的燃料液滴蒸發特性的研究

楊珠凱 張禮斌 趙洋洋 丁昊

摘要：建立了一種在對流熱空氣下蒸發兩組分燃料液滴的蒸發模型。分析了蒸發質量、液滴壽命等參數隨燃料碳鏈長度、環境溫度、液滴半徑、摻混比等影響因素的變化規律。分析的結果是，隨著碳鏈長度，環境溫度，液滴半徑和混合比的增加，液滴的蒸發速率加快。

關鍵詞：多組分碳氫;燃料液滴;蒸發特性

0? 引言

目前，隨著石油資源的不斷消耗，我國面臨的主要能源問題是能源資源的不足與現有石油能源造成的重大環境污染。近年來，隨著家用汽車的普及，中國對石油的需求迅速增長。2015年，中國的石油需求量達到5.34億噸[1]，對外依存度接近60%。在眾多耗油量支出中，內燃機是主要原因，年耗油量占中國年耗油量的50%以上。其中，最主要的則是柴油。柴油機和汽油機一樣，方便著我們的日常生活，尤其在出行、發電等方面運用十分廣泛，但是使用柴油機也會帶來環境問題。柴油機排放的污染物主要包含了顆粒與氮氧化物，它們也是霧霾的主要組成，對人體健康造成了嚴重的危害[2]。目前，我國正處于環境污染與能源危機的雙重危害下，在此背景下，開發出一種新型清潔的柴油機的代用燃料則具十分重大的意義。

為了研究可燃混合物的形成，重要的是研究液滴的蒸發過程，這對內燃機的燃燒過程具有重要影響。許多學者通過對單液滴蒸發燃燒過程的深入研究，認為這對研究復雜噴霧燃燒過程的理論分析和數學建模有很大幫助。目前，由于條件的限制，通過實驗研究液滴的蒸發過程非常困難。因此，對液滴的蒸發過程進行理論研究具有非常重要的現實意義。孫鳳等人[3]構建了一個蒸發模型，該模型考慮了蒸發過程中溫度和壓力的瞬時變化對液滴及其周圍氣流特性的影響。李云清[4]基于狀態的真實氣體方程建立了單滴高壓蒸發模型[5]。目前，基于球形液滴蒸發理論的液滴蒸發模型是研究的主流，并且充分表達了研究蒸發過程中氣液表面變形，環境氣體流量和蒸汽成分分布等因素對液滴蒸發的影響，這是因為尚無可蒸發模型[6]。本文基于VOF法（流體體積法）建立了正十二烷液滴蒸發過程的數值模型。該模型充分考慮了由于兩相流，溫度變化和氣液兩相自由表面變形而產生的液滴蒸發。研究了正十二烷液滴在蒸發過程中的蒸發特性，例如直徑，溫度和蒸發速率，以及液滴內部和環境中組分的流動和分布。

使用典型的柴油燃料，例如正庚烷，正十二烷和正己醇，調節組成成分和混合比以提出偽輕油的多成分烴混合燃料和多成分烴燃料液體。建立了液滴蒸發模型，分析了環境因素，燃料成分和燃料特性對液滴蒸發特性的影響。

1? 液滴蒸發模型建立

在這一部分中，考慮到柴油發動機汽缸中液滴的蒸發特性，建立了包含兩種成分和一種對流熱空氣作為環境條件的燃料液滴蒸發模型。為了簡化模型，我們對此液滴蒸發模型做出了合理的假設：①液滴蒸發過程是在一種無限的介質中進行的;②液滴氣體溶解度為零，不考慮所有壓力擴散的影響以及次要影響，例如Soret和Dufour對液滴蒸發的影響;③液滴內部和外部的溫度相同，各處均是均勻的;④液滴內部的物理性質，如粘度，密度，擴散系數，蒸氣壓，導熱系數，均是均勻的;隨時間變化。

1.1 質量守恒

從標準穩態的假設出發，可以通過以下公式計算液滴的總蒸發質量速度：

上式中，為液滴質量蒸發速率（kg/s），ρm為液滴密度（kg/m3），Dm為氣態燃料的擴散系數，rs為液滴瞬時半徑（m），Sh*為修正的舍伍德數，BM為傳質數。

1.2 組分守恒

由于組分是恒定的，因此液滴中特定組分的蒸發速率由下式給出：

式中，為液滴中第i種組分的質量蒸發速率（kg/s），εi為液滴中第i種組分蒸發速率占液滴總蒸發速率的比例。

1.3 氣液界面能量平衡

通過分析亞穩態，可以獲得液滴周圍的氣相溶液，并通過計算氣液界面處的平衡并假設該氣體為理想氣體，可以計算出氣液界面中不同組分的質量分數。我們可以假設在界面處一定比例的i處于平衡狀態，則界面氣體一側的比例i的分壓（Pi）必然等于響應液體溫度下的飽和分壓（Psat，i），即：

2? 結果分析

2.1 環境溫度對液滴蒸發特性的影響

為了分析環境溫度分別對正十六烷/正庚烷液滴與正十二烷/正庚烷液滴蒸發特性的影響，我們模擬了當環境溫度T∞分別為400K，500K和600K時液滴的蒸發規律，其他初始條件均相同：環境壓力P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，初始液滴溫度Td0=300K，初始液滴半徑r0=10μm。從該圖可以明顯看出，與現實情況相同的是，環境溫度越高，液滴的蒸發速率越高。當環境溫度為400K時，通過觀察液滴半徑隨時間的變化曲線可以清楚地看到，并且液滴蒸發的第一階段是圖中曲線的第一下降階段?？梢钥闯觯旱蔚陌霃秸谘杆贉p小;液滴蒸發的第二階段是圖中曲線的第二下降階段。與圖1-圖3的曲線相結合分析，不難看出：①在液滴蒸發的第一階段，庚烷和十六烷的蒸發，但是，由于庚烷的沸點低，因此蒸發速度快，而由于十六烷的沸點高，因此蒸發慢;②正庚烷幾乎在第一階段蒸發結束;③在第二階段，幾乎只有正十六烷的蒸發。圖1中的結果表明，隨著蒸發時間的增加，環境溫度越高，液滴的蒸發越有利。從圖2和圖3的結果發現，隨著環境溫度的升高，十六烷和庚烷的蒸發更快，并且庚烷的蒸發量更高。

液滴蒸發的第一階段是正十二烷和正庚烷液滴曲線的第一下降階段，其中，液滴半徑明顯減小;曲線的第二個下降階段為第二階段。結合圖4-圖6，可以對這一現象進行如下分析：①正庚烷和正十二烷在液滴蒸發的第一階段都蒸發了;②當液滴的表面溫度升高時，正庚烷的沸點較低，因此蒸發快并且正十二烷的沸點蒸發速度慢，是因為蒸發速度高;③在第二階段，幾乎只有正十二烷的蒸發。從上面可以看出，由于燃料的蒸發和燃料的蒸發，燃料的蒸發特性是不同的，因此燃料的蒸發是不同的。蒸發時間的長度是不同的，并且它們被分為不同的蒸發結束時間。隨著時間的變化，液滴內部各成分的比例不斷變化。圖4所示的結果表明，隨著蒸發時間的增加，液滴的表面溫度越高，液滴的蒸發越有利。圖5和圖6的結果表明，在第一階段中，伴隨著環境溫度的不斷上升，正十二烷和正庚烷都蒸發的非?？欤艺樵诘恼舭l量遠超于正十二烷。

2.2 液滴半徑

在這一部分中，觀察了具有不同初始半徑的液滴的蒸發特性，并分析了液滴初始半徑的變量對蒸發規律的影響。該部分僅改變液滴的初始半徑，而不改變其他初始條件。初始條件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，正十六烷與正庚烷質量比k=3：7，液滴初始溫度Td，0=300K，液滴初始半徑r0分別為10μm、20μm、30μm。圖7是表示液滴的半徑的經時變化的關系的圖，從圖中可以清楚地看到，液滴的初始半徑越大，蒸發所需的時間就越長，并且遵循一個客觀定律。每個液滴都具有完全相同的十六烷和庚烷混合物的比例，但是，隨著液滴初始半徑的增加，在蒸發的第一階段中，同一時間，液滴表面上的庚烷比例下降，而十六烷百分比上升。顯然，液滴的初始半徑越大，即液滴中十六烷的質量越大。而且由于正十六烷的這一組分它的蒸發特性明顯弱于正庚烷，使得當液滴開始蒸發時，正庚烷就快速的蒸發;對于正十六烷和正庚烷混合液滴，由于正庚烷在第一蒸發階段內的大量快速的蒸發會吸收大量的熱量，而這些熱量除了環境外，還有液滴表面熱量。這就導致了液滴表面溫度的上升速度必然很慢，二者結合就更減慢了正十六烷的蒸發速度，正十六烷主要集中在第二蒸發階段。

從圖10可以看出，正十二烷和正庚烷的液滴半徑越大，液滴中所含燃料的質量就越大，這也會導致蒸發時間成比例的增加。從圖11和圖12中可以看出，各直徑液滴中雖然具有完全相同的正十二烷與正庚烷摻混比，但是，當液滴的初始半徑不斷增大時，在蒸發的第一階段，正十二烷的蒸發特性比正庚烷的蒸發特性弱，而當液滴處于蒸發的早期時，正庚烷迅速蒸發。與正十六烷/正庚烷類似，在正十二烷/正庚烷混合液滴中，由于正庚烷在第一蒸發階段中蒸發，因此正十二烷的蒸發速率由于各種原因而變慢，并且十二烷主要在第二蒸發階段中蒸發。

2.3 摻混比

模擬了十六烷混合比為20%，30%和40%時，不同混合比對十六烷/庚烷燃料液滴蒸發特性的影響，因為燃料混合比的變化也會影響蒸發過程。模擬的初始條件如下：T∞=500K，P∞=1MPa，空氣速度U∞=3.0m/s，液滴初期溫度Td，0=300K，液滴初期半徑r0=10μm。模擬結果如圖13所示。從圖14和圖15中可以看出，不同正十六烷摻混比時，正十六烷摻混比增加，液滴的蒸發時間延長。當十六烷的混合比從20%增加到40%時，同一時間，液滴的蒸發顯著減慢。這主要有以下幾個方面的原因：①第一蒸發階段主要是正庚烷的蒸發過程，正十六蒸發較少，隨著液滴中正十六烷摻混比的增加，第一蒸發階段相同時間內蒸發的正庚烷的量明顯減少，所以液滴剩余質量多;②隨著正十六烷混合比的增加，在液滴蒸發的第一階段，大量的正十六烷聚集在液滴表面，但是正十六烷的蒸發特性明顯弱于正庚烷，液滴蒸發較差;③隨著蒸發時間的增加，液滴中殘留的庚烷數量減少，并且液滴溫度升高緩慢。

當正十二烷混合比為10%，20%，30%時，正十二烷/正庚烷液滴的蒸發特性。模擬的初始條件與十六烷/庚烷液滴的初始條件相同，并且模擬結果示于圖16中。從圖16中可以看出，雖然正十二烷混合比的差異，但是混合燃料液滴半徑隨時間的趨勢是相似的。隨著正十二烷的混合比增加，液滴的蒸發時間明顯增加，并且液滴的第一蒸發階段不明顯。同時，當正十二烷的混合比從10%增加到30%時，同一時間，液滴的蒸發逐漸減少。這主要有以下幾方面的原因：①第一蒸發階段主要是正庚烷的蒸發過程，隨著液滴中正十二烷摻混比的增加，第一蒸發階段蒸發的正庚烷的量增多，吸收的熱量也減少;②隨著正十二烷摻混比的增加，由于正十二烷的蒸發特性遠低于正庚烷，使得液滴蒸發越發困難;③隨著蒸發時間的增加，液滴中的庚烷殘留量減少，液滴溫度升高緩慢。

3? 結論

綜上所述，可以得出以下結論

①根據質量恒定，組分恒定和氣液界面能量平衡的特點，建立了對流熱空氣環境中的兩種組分燃料液滴蒸發模型，并建立了四種假設使其模型得以簡化。

②在具有相同結構的烴燃料中，分子的碳鏈越長，相對分子的質量越大，并且燃料分子的穩定性越差，自燃反應越容易發生，并且燃料的十六烷值越高。隨著蒸發時間增加，環境溫度越高，液滴蒸發越有利。隨著環境溫度的升高，正十六烷和庚烷蒸發得更快，而且庚烷蒸發得更多;而對于正十二烷和正庚烷的蒸發來說，由于正庚烷在第一蒸發階段的蒸發量更多，其蒸發時間遠遠小于正十六烷所需蒸發時間。燃料液滴越大，液滴中所含的十六烷數量越多，因此庚烷蒸發的時間越長;液滴的半徑越大，液滴蒸發的不利性就越大。正十二烷同樣如此，在正十二烷與正庚烷液滴中，對于柴油機燃料，減小液滴直徑可以改善燃料的蒸發特性。正十六烷與正庚烷隨著摻混比的增加，正庚烷無法快速蒸發，隨著時間的增加，剩余正庚烷減少，溫度升高緩慢;另一方面，當正十二烷混合比從10%增加到30%時，由于正庚烷的比例隨著正十二烷混合比的增加而降低，不會發生快速蒸發，使得蒸發時間增加。因此，表面溫度上升緩慢。

參考文獻：

[1]佚名.汽車發動機原理[M].2011.

[2]陳燕.混合燃料在車用內燃機上的應用研究[J].拖拉機與農用運輸車，2006，33（2）：17-19.

[3]俎琳琳，侯玉春，呂興才，等.正庚烷HCCI燃燒過程的數值模擬及試驗研究[J].內燃機工程，2006，27（6）：15-20.

[4]李云清，王宏楠，王德福.狀態方程對高溫高壓條件下燃料液滴蒸發計算的影響[J].內燃機學報，2009（4）：344-351.

[5]吳群英.柴油十六烷值與十六烷指數的關系研究[J].石油化工設計，2015（4）：66-69.

[6]高波，李哲.柴油組成對十六烷值與十六烷指數關聯性的影響[J].石化技術與應用，2010，28（1）：27-30.

[7]李瑞娜.甲醇/生物柴油混合燃料霧化及著火過程的研究[D].2016.