超臨界環境對柴油機碳氫燃料液滴蒸發過程的影響

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境的變化規律。C12H26的粘度、密度、比熱容等物理特性在臨界點處發生劇烈變化，在壓力為1.5MPa溫度為640K時，密度將會隨著溫度的繼續升高下降1.88mol/L，下降幅度達80%;在超臨界環境中，燃油液滴蒸發不再遵循D2定律，液滴由亞臨界狀態的表面蒸發轉變為超臨界狀態的擴散。

關鍵詞：柴油機; 碳氫燃料; 超臨界; 液滴蒸發

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就會發生劇烈變化，使柴油機缸內的霧化和燃燒大為不同。物質的壓力和溫度同時超過它的臨界壓力和臨界溫度的狀態稱為該物質的超臨界狀態。超臨界流體是一種特殊的流體。在超臨界環境下的流體不存在汽化的概念，超臨界環境下蒸發過程可能不復存在。此外在噴霧處于超臨界的情況下，液相燃料的表面在環境氣體的加熱下可能會轉變為超臨界流體，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，研究超臨界環境中液滴蒸發具有重要意義。

1.C12H26燃料特性分析

柴油是由碳原子數為10-22的烴類混合物。考慮到柴油為混合物，為了簡化分析過程，采用與柴油物理性質相近的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環境壓力低于臨界壓力時，隨著溫度的升高，C12H26發生相變。由液態經過固液共存區轉變為氣態，而當C12H26處于固液共存區時，溫度與壓力都不會發生變化。而隨著溫度的繼續升高，C12H26發生相變成為超臨界流體，此時粘度由于C12H26發生相變而發生突發性減小。而當C12H26壓力超過臨界壓力時，此時升高環境溫度，將會使C12H26直接由液態轉變為超臨界態，而不會出現氣液共存的狀態，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，在環境壓力為1.5MPa的條件下，當溫度到達640K附近時，粘度突發性減小了35uPa*s;而當環境壓力為2.3MPa時，粘度的減小與環境溫度的變化成正比關系，表明其隨著溫度的變化，C12H26由亞臨界態逐步轉變為超臨界態。

而當溫度低于臨界溫度時，C12H26處于亞臨界狀態，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，環境壓力越大，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，隨著環境溫度的升高，C12H26經過固液共存的狀態由液態轉變為氣態，此時密度將會突發性減小，當環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轉變為氣態，而密度也隨之發生急劇變化，但相對于處于亞臨界狀態的C12H26，變化發生得相對平滑。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由氣態經氣液共存區而向液態的轉變，此時的密度由于發生相變而產生劇烈變化。而由于液體難以壓縮，當C12H26處于液態時，升高壓強并不會對密度產生強烈影響，而溫度高于臨界壓力時，C12H26處于氣態，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處于液態時隨著溫度的增加而增加，當C12H26由液態變為氣態時，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。可以看出，峰值出現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，峰值就已經出現，其值為525J/（mol*K），而當壓力為2.3MPa時，需要環境溫度達到675K，峰值才會出現，其值為547J/（mol*K）。

當環境溫度不變，C12H26處于亞臨界環境和超臨界環境的比熱容隨壓力的變化不同。當C12H26處于亞臨界態時，比熱容隨著壓力的升高而降低;而當C12H26為超臨界態時，比熱容將會隨著壓力的升高而升高。

2.超臨界環境對液滴蒸發特性的影響

圍繞高溫高壓環境中液滴蒸發特性的變化規律，國內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特性，結果表明：與柴油相比，高溫環境中正丁醇/柴油混合燃料的蒸發過程呈現三階段蒸發特性，液滴出現氣泡生成、膨脹和噴氣現象，液滴直徑波動劇烈。Sazhin[3]總結了液滴內部傳熱和蒸發過程的控制方程，提出了處理多組分液滴蒸發問題的方法。Zhang等[4]針對多組分液滴蒸發過程建立了液滴內部熱傳導和質量運輸方程，并給出了多組分液滴物性的計算方法。在高溫高壓環境中，在臨界點附近燃料特性出現劇烈波動，高壓下的蒸發過程相對低壓下的經典理論有明顯偏離，蒸發速率不符合D2定律[5]。有研究表明，由正庚烷在亞/超臨界環境下的氣液界面性質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隨模擬分子數、截斷半徑及模擬溫度的變化規律[6]。

3.結論

通過對C12H26燃料特性的分析，重點分析了環境對燃料物化性質的影響柴油機燃料液滴在超臨界下的相變過程的影響。

環境壓力和溫度的變化將會導致C12H26的物理特性發生一系列的變化，特別是當C12H26以低于臨界壓力的環境由液態升溫轉變為超臨界態時，物理特性的變化將會極其劇烈。

在超臨界環境中，燃油液滴蒸發不在遵循D2定律，液滴由亞臨界狀態的表面蒸發轉變為超臨界狀態的擴散。

基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK20200910），天津大學內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特性的試驗[J]內燃機學報，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.超臨界環境下燃料液滴蒸發的分子動力學模擬[J]工程熱物理學報，2017，38（12）：2745-2751

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