基于OpenFoam的船用低速燃油機蒸發性能優化研究*

高 吉 王筱蓉 戴明露

（江蘇科技大學 鎮江 212114）

1 引言

燃油的蒸發性能是衡量燃油利用效率的重要指標，對船用低速燃油機內部油氣混合速率、燃燒的穩定性以及充分燃燒程度也有非常大的影響。近年來，納米粒子作為新型燃油添加劑改善燃油性能引起了廣泛的研究［1～2］，為了更廣泛地應用于發動機、燃油機等動力裝置，對納米流體燃料蒸發性能更加深入的研究是有必要的。

許多蒸發實驗研究論證了納米燃油能有效提高燃油的燃燒效率，減少污染物的排放［3］。例如Sadia Akram［4］等用氧化鈰和氧化鈰納米復合氧化物作為生物柴油的添加劑，證明了納米粒子能減少氮氧化物，還可以減少未燃燒碳氫化合物和一氧化碳的排放。鄔齊敏［5］等將微量的二氧化鈰納米粒子加入柴油中進行燃燒實驗，實驗證明，添加微量的納米氧化鈰顯著提高了燃油的熱效率，減少了碳氫化合物以及煙度的排放。Prabhu Appavu等［6］利用柴油發動機進行混合燃油與純柴油燃燒特性的對比實驗，實驗結果也證明了摻混納米氧化鈰粒子的混合柴油比純柴油的點火延遲更短，制動熱效率也有小幅度的提高。微量納米氧化鈰的添加減少了氮氧化物和一氧化碳的排放，隨著添加量增大效果越明顯［7］。Mortaza Aghbashlo等［8］指出，氧化鈰在缺氧條件下提供晶格氧來燃燒的殘留的碳氫化合物，而碳納米管通過熱傳導的強化作用得到更高的發動機熱效率［9］。M.Ghanbari等［10］指出碳納米管可以提高制動功率并且加大扭矩，從而達到制動比油耗下降的效果。Anand［11］等在生物柴油中摻混同等比例的納米氧化鋁粒子和碳納米管，實驗結果表明，相比于純生物柴油的制動比油耗和制動熱效率，混合納米粒子的燃油在這兩項參數上改善的很明顯。V.Dhana Rajua［12］等在一種全新配比的混合燃油中加入納米氧化鋁，實驗證明，加入納米物質的混合燃油有更高的制動熱效率，極大程度地減少了一氧化碳和碳氫化合物的排放。張小矛［13］使用CFD方法評估燃油蒸發對汽油機爆震的影響，而通過OpenFoam仿真分析納米燃油蒸發時內部升溫情況的研究不多。本研究建立了以一維液滴蒸發模型為基礎的平衡方程，用VOF法構建了內含納米物質導熱源項的液滴蒸發數值模型。結合液滴蒸發試驗，研究模擬了納米物質增強液滴內部熱傳導能力的過程。

2 液滴蒸發模型控制方程

為了保證蒸發過程中燃油單液滴蒸發模型的計算精度，需提出以下幾點簡化假設：1）忽略環境因素對液滴蒸發過程的影響；2）液滴蒸發平穩即時間步長均處于平衡狀態；3）在只添加重力條件的工況下進行蒸發，忽略外界氣流對液滴形狀產生的影響；4）液滴蒸發只考慮液相到氣相的轉變過程，氣相滲入液相的部分忽略不計。

根據以上假設，在氣液兩相轉變界面處建立了控制方程，如式（1）所示：

式（1）中，a表示物質狀態的單獨標量；U表示速度；F表示擴散通量。

基于OpenForm建立液滴蒸發模型，需要對其他控制方程進行了專用優化，模擬不同溫度梯度的多相流動，納米物質的導熱源項和優化的控制方程如式（2）所示：

納米物質的導熱源項計算：

式（2）中knano表示納米物質的導熱系數；Tamb表示溫度；Tcelli表示具體網格的溫度；Snano表示單位納米物質的表面積；rcelli表示網格到原點之間的距離；rinitial表示液滴初始半徑。

修正后的氣液兩相體積運輸方程：

式（3）中?·Ucalag表示人工壓縮項，在 OpenFoam中加入此項能讓界面平滑過渡；al表示液相，ag表示氣相，Ul表示液相速度矢量。

加入表面張力和重力計算的動量守恒方程：

式（4）中ρ表示混合項密度；F表示表面張力源項；表示動量源項。

主要考慮液相的能量守恒方程：

式（5）中定壓比熱容cp表示定壓比熱容；表示燃油液滴中所含有導熱源項（J/m3/s）；λ表示混合項導熱系數（J/m3/s）；ek表示比動能。

3 液滴蒸發模型驗證與計算方法

3.1 液滴蒸發模型網格劃分

該模型的區域劃分考慮到液滴受重力影響，重心位于交叉石英絲下方。根據液滴形狀再進行軸對稱簡化，取液滴右下四分之一的部分作為計算區域，而石英絲的交叉區域也可以近似成圓形，網格最終的劃分情況如圖1所示。

圖1 液滴網格劃分示意圖

3.2 模型實施條件的確定及求解方法

1）對比OpenFoam中的可用求解器compressibleInterFoam和interPhaseChangeFoam，可以發現interFoam求解器更加貼近已有的守恒方程及控制方程。

2）為了滿足求解器在廣泛性以及準確性上的要求，選擇了Euler implicit和Gauss linear為主的數值離散格式。

3）基于OpenFoam開源庫對單液滴蒸發模型進行編譯求解。

3.3 單液滴蒸發模型驗證

圖2為不同類型燃油單液滴的蒸發實驗歸一化曲線與模擬曲線對比圖。圖（a）中液相在蒸發末期轉變為氣相時，計算網格內氣液濃度變化劇烈，模擬曲線在蒸發后期出現了多次波動，模擬曲線與實驗曲線的整體誤差在3%以內。圖（b）中液滴在蒸發中期發生膨脹，后期曲線無劇烈波動，與實驗曲線的誤差在5%以內。對比兩種燃油的曲線驗證結果可見，此模型用于模擬實際燃油蒸發實驗結果是可行的。

圖2 單液滴蒸發實驗歸一化曲線與模擬曲線對比圖

4 計算結果分析

4.1 不同周向角下溫度對比

圖3為兩種燃油液滴在不同時刻不同周向角下的溫度分布。當兩種燃油液滴的周向角θ均為45°時，對比圖（a）和圖（b）可知同一時刻的納米燃油液滴升溫速率明顯高于普通燃油液滴，對比圖（a）和圖（c）可知普通燃油液滴蒸發時刻靠后的液滴溫度隨液滴半徑增長的幅度更大，而對比圖（b）和圖（d）可知納米燃油液滴不同蒸發時刻的蒸發趨勢類似，說明了納米物質不僅增強了液滴內部傳熱，加快了液滴整體的升溫進程，而且促進了液滴的平穩蒸發。

圖3 不同周向角下溫度分布

4.2 納米添加物對液滴內部速度影響

圖4為兩種燃油液滴在不同蒸發時刻的速度流線分布圖。對比圖（a）和圖（b）可見，在液滴蒸發初期，納米燃油液滴在氣液兩相轉變界面處的速度值高于普通燃油液滴，說明納米物質提高了氣液兩相轉變界面處的溫度，增強了液滴內部的傳熱能力。在液滴蒸發中期，普通燃油液滴在氣液兩相轉變界面處出現了較大速度梯度，而納米燃油液滴的氣液兩相轉變界面相比于前一時刻更靠近圓心，蒸發的組分逐漸增加，速度流線也更加密集，外部氣相流線也產生了明顯波動。由此可見，納米物質加快了氣液兩相轉變界面處近場的熱交換速度。

圖4 速度流線分布圖

圖5為873K下不同濃度的納米燃油液滴蒸發半徑分布圖。圖（a）顯示了液滴半徑逐漸增大時，燃油中納米物質的濃度越高，液滴升溫的幅度越大。由圖（b）顯示了氣液兩相轉變界面蒸發項的波動引起了溫度曲線的波動，納米添加物的濃度越高，溫度曲線波動越劇烈。

圖5 納米燃油液滴蒸發半徑分布圖

5 結語

1）納米燃油的蒸發平穩性和液滴內部溫度提升速率都優于普通燃油，此外，流場中只有周向角θ為45°時能夠提供完整工況下的溫度曲線，其余周向角下的工況更加復雜。

2）在納米燃油中，納米物質能夠顯著加快氣液兩相轉變界面近場處的熱交換速度，消除了原燃油的局部熱點，使得液滴整體受熱均勻，有效促進了蒸發進程。

3）在前中期的蒸發過程中，相同液滴半徑條件下，納米燃油液滴中的納米添加物濃度越高，液滴內部升溫越迅速。