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)轉變?yōu)槌R界狀態(tài)的擴散。

關鍵詞：柴油機; 碳氫燃料; 超臨界; 液滴蒸發(fā)

中圖分類號：TK407.9? ? ? ? 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變?yōu)槌R界流體，從而導致表面張力的消失，射流破碎過程也將不復存在，取而代之的是由氣動力和黏性力主導的湍流混合過程[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?？紤]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，粘度的減小與環(huán)境溫度的變化成正比關系，表明其隨著溫度的變化，C12H26由亞臨界態(tài)逐步轉變?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，甚至會由于壓力的升高而發(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)轉變?yōu)闅鈶B(tài)，此時密度將會突發(fā)性減小，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，由于壓力的升高，將會導致C12H26由氣態(tài)經(jīng)氣液共存區(qū)而向液態(tài)的轉變，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?？梢钥闯觯逯党霈F(xiàn)的溫度隨著壓力的升高而越來越高，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)外學者一般采用試驗、熱力學仿真等方法開展研究。馬小康等[2]采用石英絲掛滴技術研究了不同溫度下正丁醇、柴油及其混合燃料的蒸發(fā)特性，結果表明：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。Sazhin[3]總結了液滴內(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)進行的分子動力學模擬，得到了氣液相密度、界面厚度及界面張力等性質(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)轉變?yōu)槌R界狀態(tài)的擴散。

基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK20200910），天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室開放課題（K2020-12），江蘇省教育廳自然科學研究項目（20KJB470015），江蘇大學2020年大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（202010299422X）

參考文獻：

[1]Oschwald M， Smith J J， Branam R， et al. Injection of fluids into supercritical environments[J]. Combustion Science and Technology， 2006， 178（1-3）： 49-100

[2]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)燃機學報，2016，34（01）：48-52

[3]Sazhin S S. Advanced models of fuel droplet heating and evaporation[J]Progress in Energy and Combustion Science， 2006， 32（2）： 162-214

[4]Zhang H， Law C K. Effects of temporally varying liquid-phase mass diffusivity in multicomponent droplet gasification[J] Combustion and Flame， 2008，153（4）：593-602.

[5]肖國煒，羅開紅，馬驍，等.超臨界環(huán)境下燃料液滴蒸發(fā)的分子動力學模擬[J]工程熱物理學報，2017，38（12）：2745-2751

[6]鄧磊，解茂昭.亞/超臨界環(huán)境下氣液界面性質(zhì)的分子動力學模擬[J]工程熱物理學報，2016，37（8）：1802-1807