多元燃料低溫噴霧特性預測模型構建及仿真分析

摘要： 為探究低溫工況下醇類摻混對柴油噴霧特性的影響，明晰多元燃料物性與噴霧特性的聯系，利用高速攝影技術進行了柴油與丙醇、己醇混合燃料（醇類摻混比分別為0%，20%，40%）低溫工況噴霧試驗，基于摻混燃料各組分物性進行了Higgins液相貫穿距預測模型修正以及CONVERGE仿真破碎模型參數修正，并進一步通過仿真探究了醇類摻混對柴油噴霧溫度及當量比分布特性的影響。結果表明：在低溫工況下，醇類的蒸發性遠好于柴油，在噴霧發展過程中醇類先于柴油蒸發，高汽化潛熱引發了噴霧核心區域溫度降低，進而抑制了柴油液滴的破碎與蒸發過程，最終導致了噴霧液相貫穿距的延長，且隨著摻混比的增大，抑制作用更加明顯。

關鍵詞： 噴霧特性；多元燃料；低溫試驗；模型修正；燃料；物性

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.001

中圖分類號：TK421.43" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００01 11

隨著我國經濟的快速增長，汽車工業持續發展，目前，交通運輸行業的能源嚴重依賴于汽油、煤油和柴油等化石基液體燃料。盡管我國新能源汽車發展迅速，但新能源汽車絕大多數分流了汽油車銷量，而柴油車的電動化替代依舊任重而道遠^［1］。大量化石燃料的燃燒除了造成能源的短缺，同時也引發了嚴重的環境污染問題^［2］。因此，發展柴油替代能源以及實現柴油替代燃料的多樣化，是解決汽車的燃油匱乏問題、緩解碳排放及環境污染問題的重要途徑，對實現國家“可持續發展”及“雙碳”目標具有重要意義。

生物燃料被認為是最可行的清潔能源之一，大量研究均表明醇類燃料可以直接在柴油機中應用而不改變其原有結構，可將醇類與柴油進行調和，形成專門設計的多元化混合燃料，通過改進混合燃料的理化特性實現傳統燃料與含氧燃料的優勢互補^［3］。

然而，醇類物性相較于柴油物性還具有低沸點、低熱值、高汽化潛熱的特征，因此在摻混燃料中，醇類組分相較于柴油組分具有更強的蒸發性。北京理工大學的Z. J. NI等^［4］建立了多組分柴油表征燃料與ABE燃料的摻混物液滴蒸發模型，并發現酮類和醇類組分先于柴油組分快速蒸發，并能顯著降低液滴溫度，使得柴油表征燃料組分的蒸發速率保持在一個較低水平。所以在低溫工況下，摻混醇類會惡化柴油噴霧的蒸發過程，當使用醇類替代部分柴油應用于柴油機時會存在冷起動困難的問題，因此，針對低溫工況下的醇類摻混燃料研究是很有必要的。

柴油與醇類摻混燃料的噴霧特性是影響發動機高效清潔燃燒的關鍵因素^［5］。液相貫穿距作為衡量噴霧破碎蒸發效果的關鍵宏觀噴霧特性之一，是壓燃式發動機設計過程中一個重要的噴霧特征參數。文獻［6］中Higgins給出了液體長度與燃料性質的關系式，可預測液體長度隨燃料性質和操作條件的變化而發生的相對變化。然而Higgins提出的預測公式僅適用于常規柴油液態替代燃料典型工況下的貫穿距預測，有關低溫工況下摻混燃料物性對噴霧特性的影響研究還很少。

已有的關于柴油 醇摻混燃料的噴霧特性研究主要集中于試驗研究，通過采集噴霧宏觀特性數據進行研究分析。長安大學張文凱^［7］在柴油中摻混體積分數分別為0%，10%和20%的環己醇進行燃油噴霧試驗，試驗表明在相同環境條件下，CH10和CH20的噴霧貫穿距均大于柴油。H. P. SU等^［8］研究了不同摻混比的乙醇與生物柴油混合燃料的噴霧與霧化特性，結果表明乙醇的添加對混合燃料噴霧貫穿距影響不大。華中科技大學馬寅杰^［9］研究了正戊醇與柴油混合燃料的噴霧特性，結果表明，正戊醇的加入顯著降低了柴油噴霧貫穿能力。

綜上所述，在不同環境條件下，不同醇類以及不同醇類摻混比對于柴油宏觀噴霧特性的影響規律不同，因此有必要總結燃料物性以及環境因素對噴霧發展過程的影響規律。本研究針對低溫工況下的柴油 醇摻混燃料噴霧特性進行研究，對噴霧宏觀現象的微觀破碎與蒸發過程進行量化分析，研究噴霧宏觀特性變化的內在機理，從而探明低溫工況下摻混醇類對柴油噴霧特性及混合氣形成過程的影響，明晰多元燃料物性與噴霧特性的聯系。

1 研究方法

1.1 試驗裝置

燃油噴射過程在內部體積為15 L的CVCC（定容燃燒彈）中模擬，通過在一個高壓容器內對充量進行加壓和加溫來模擬發動機缸內壓縮終了時刻的環境條件，CVCC主體主要由腔體、端蓋法蘭、石英視窗、法蘭螺栓、防松墊圈、石墨墊片、保溫層蓋板、保溫層蓋板螺釘、加熱管、硅膠墊片和金屬孔堵組成。試驗裝置的示意見圖1。在本研究中，0號柴油通過0.12 mm的博世單孔噴油器噴射到燃燒室，噴油壓力和噴油持續時間由安裝了ECKA 2.0數據采集軟件的ECTEK電子控制單元（ECU）控制。該CVCC有4個垂直分開布置的直徑為100 mm的光學石英視窗。腔體的材料為40CrNiMoA高強度合金鋼，有高的強度、韌度和良好的淬透性以及抗過熱的穩定性，經強度校核計算，該預燃式定容彈腔體能夠承受30 MPa的超高壓熱沖擊。有關該光學試驗裝置的更多信息參見文獻［10 11］。

為了全面探究摻混醇類燃料對柴油低溫噴霧特性的影響，根據F. S. LIU等^［12］對柴油臨界著火條件的研究基礎，本研究選取環境溫度800 K作為低溫工況代表溫度，進行不同醇類及摻混比下的低溫噴霧特性試驗。將丙醇（P）、己醇（H）燃料分別按照20%和40%的體積比與柴油（D）進行摻混，80%柴油摻混20%丙醇記為D80P20，60%柴油摻混40%丙醇記為D60P40，80%柴油摻混20%己醇記為D80H20，60%柴油摻混40%己醇記為D60H40。試驗工況為噴射壓力60 MPa，噴油量18.2 mg，燃油溫度293 K，環境溫度800 K，環境密度10 kg/m3，噴孔直徑0.12 mm，環境氧體積分數21%。

試驗中配置的燃油均按照室溫下的體積比例摻混。將配置好的燃油攪拌后靜置1周，確定沒有出現燃油分層現象后，在試驗前進行第二次攪拌。表1示出了各摻混燃料的宏觀理化特性^{［13 14］}。

1.2 噴霧模型

本研究的CONVERGE仿真模型構建采用C. H. SUN等^［15］構建的四組分（丁基環己烷（C4H9CC6H11）、異十六烷（IC16H34）、甲基萘（A2CH3）、正十六烷（NC16H34））柴油表征燃料機理，包含80種物質和251個反應，構建的表征燃料能夠更好地再現真實柴油的蒸餾性能，在蒸餾曲線上與柴油最為貼近，可以用于預測柴油的關鍵理化特性。其中表征燃料各組分的質量分數如表2所示。

在CONVERGE中建立直徑150 mm、高度51 mm的圓柱體區域以模擬燃油噴射過程。噴嘴位于距頂面1 mm的軸線上。最小網格尺寸為0.25 mm時對應的基本網格尺寸為發動機燃燒網絡（ECN）推薦的噴霧燃燒模型的網格尺寸^{［16 17］}，基本網格尺寸設置為4 mm。為了捕捉噴霧的細節，在噴嘴和壁面附近使用了4級加密。在速度變化的區域對網格進行自適應加密，最小細化網格尺寸為0.25 mm。具體模型設置如表3所示。

2 結果和討論

2.1 基于物性的多元燃料貫穿距預測模型構建

為了深入探究在低溫工況下，不同醇類及不同摻混比對噴霧氣液相貫穿距的影響規律，本研究利用高速攝影技術在環境溫度800 K、噴油壓力60 MPa時進行了噴霧試驗。圖 2示出了不同摻混燃料在其液相噴霧穩定后的原始試驗圖像，可以看到，在低溫工況下，醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距（LPL）相比于純柴油出現延長現象，且醇類摻混比越大，LPL延長現象越明顯，而相同摻混比下不同醇類摻混燃料的LPL幾乎一致。LPL與燃油噴霧的破碎和蒸發過程相關，其延長現象表明噴霧液滴的破碎蒸發過程受到抑制。

由于氣相噴霧隨著時間的發展處于持續擴散過程，因此選取各燃料氣相噴霧發展過程中的同時刻圖像進行對比。圖3示出不同摻混燃料在0.7 ms時的氣相噴霧原始圖像，可以發現不同摻混燃料氣相噴霧輪廓與噴霧貫穿程度幾乎一致。

為進一步探究噴霧宏觀特性隨時間的發展規律，利用圖像處理技術對不同摻混燃料在不同時刻的氣液相貫穿距進行計算，結果如圖4所示。由圖4a可以看到，隨著燃油噴出，液相貫穿距逐漸增大，各摻混燃料在噴霧初期LPL的發展趨勢幾乎一致，是因為噴霧初期LPL的發展主要受初始動能的影響，在噴油參數一致的情況下，噴霧初期貫穿距相同。在空氣的卷吸和加熱作用下，燃油補充與液滴破碎蒸發過程達到動態平衡，最后LPL穩定在某一值附近波動。其中，D100穩定在29 mm左右，D80P20，D80H20穩定在33 mm左右，D60P40，D60H40穩定在39 mm左右。由圖4b可以看出，不同摻混燃料的氣相貫穿距（VPL）隨時間發展幾乎保持一致，均呈現逐漸上升的趨勢，是因為VPL主要受噴油壓力等噴油參數的影響，與燃料物性相關性不大，因此醇類摻混燃料相對于柴油噴霧VPL幾乎沒有變化。

根據燃料物性可知，醇類燃料本身的蒸發性能遠好于柴油，其沸點低更易蒸發、密度低更易破碎，對摻混燃料的貫穿能力具有抑制作用，理論液相貫穿距應呈現下降趨勢。然而，本研究中醇類燃料與柴油的物理性質，尤其是沸點、比熱容、汽化潛熱，差異巨大。因此，從蒸發特性上分析，柴油摻混醇類燃料之后會有如下表現：由于沸點低，醇類燃料會先于柴油迅速蒸發并降低液滴周圍氣相溫度；由于汽化潛熱高，醇類燃料在蒸發過程中吸收大量熱量，會降低柴油液滴溫度；由于醇類比熱容高，噴霧卷吸空氣帶來的加熱作用進一步減弱，最終表現為柴油蒸發速度減慢，整體液滴壽命增長。本研究中，低溫工況冷空氣對噴霧的加熱能力有限，不足以彌補醇類蒸發對噴霧的冷卻作用，綜合構成醇類對柴油貫穿能力的促進作用，引起醇類摻混燃料液相貫穿距增長的現象。

為了更全面地評估摻混燃料物性對噴霧液相貫穿距的影響，本研究擬引入噴霧液相貫穿距理論預測模型，從而對燃料物性與噴霧發展過程間的聯系進行探究。經調研發現，Higgins模型直接從多元燃料各物性出發，在考慮環境工況的同時，基于噴霧發展過程中的運動狀態與能量傳遞過程對摻混燃料液相貫穿距進行預測，對本研究低溫工況醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距延長現象的理論分析具有重要指導意義。除此之外，Higgins模型也是眾多研究人員^{［18 20］}進行多元燃料噴霧液相貫穿距預測的原始參考公式，他們多在Higgins模型的基礎上進行修正或參考該模型的形式進行構建。因此，本節引入Higgins模型并基于二元燃料蒸發順序差異對模型公式進行修正。

Higgins模型提出的液相貫穿距預測公式如下：

xliqd0=kAαBβ。（1）

式中：xliq為液相貫穿距；d0為噴孔直徑；A為燃料密度與空氣密度之比；B為“比能量比”；k，α，β為Higgins在公式參數標定中確認的適用于典型溫度/密度的相關系數^［6］。

通過質量和動量守恒分析可知，貫穿能力與燃料密度和空氣密度比值成比例關系，A的計算公式如下：

A=ρfρa。（2）

式中：ρf為燃料密度；ρa為空氣密度。

從能量守恒的角度分析發現，液相貫穿距與液相燃油蒸發所需能量和噴霧卷吸空氣帶來的熱量之比相關，定義為“比能量比”B，計算公式如下：

B=hvap+cp，liqTb-Tfcp，airTair-Tb。（3）

式中：cp，liq為燃料比定壓熱容；Tb為燃料沸點；Tf為燃料初始溫度；hvap為燃料汽化潛熱；cp，air為空氣比熱容；Tair為空氣溫度。對于多組分燃料，B可通過各組分物性進行計算：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，max-Tfcp，airTair-Tb，max∑mi。（4）

式中：mi為各組分質量；Tb，max為各組分中最高的沸點。本研究中柴油、丙醇、己醇采用的沸點分別為565 K，370 K，430 K，因此醇類摻混燃料的Tb，max均為565 K。

在Higgins模型中，參數A反映了燃料與空氣的相對運動狀態，考慮了燃料與空氣密度的影響。參數B反映了燃料與空氣的能量傳遞過程，考慮了燃料沸點、比熱容、汽化潛熱和空氣溫度的影響。可根據不同摻混燃料物性計算得到Higgins模型中參數A和B的取值。不同摻混燃料的Higgins模型參數計算結果如表4所示。

通過進一步分析Higgins公式中各參數的物理意義發現，在公式中參數B的計算過程中，分子表征單位質量的液態燃料蒸發所需要的能量，其中液態燃料由初始溫度升溫至沸點所需能量計算公式中的沸點統一取值為混合燃料中單組分最高沸點，而忽略了上文提到的二元液滴蒸發過程中醇類燃料先于柴油燃料蒸發所引起的對燃料綜合蒸發效應的抑制過程。研究人員使用Higgins模型比較了單組分燃料和摻混燃料液相貫穿距預測結果，發現模型中燃料沸點Tb的取值對預測結果影響較大。由于模型中使用摻混燃料組分沸點最高值Tb，max進行計算，因此在考慮蒸發過程傳熱量時，不同摻混比的燃料差距極小。E. CANAAN，K. MYONG，D. L. SIEBERS等^{［18 20］}分別嘗試選取摻混燃料餾程中的50%，75%，90%作為Tb的值代入模型進行擬合，不同燃料在各自工況下均出現較好的擬合結果，說明該值應隨燃料組分和比例進行調整。

因此，本研究基于醇類摻混燃料各組分蒸發順序不同對Higgins公式中B的計算公式進行修正，提出基于摻混燃料組分質量分數計算的摻混燃料表征沸點，由各組分燃料沸點以及各組分燃料質量分數確定，用摻混燃料表征沸點Tb，l替代原公式中的Tb，max，擬合所得計算公式如下：

Tb，l=k（Tb，1M1α+Tb，2M2β）。（5）

式中：k=0.965；α=0.377；β=1.027；Tb，1為柴油沸點；M1為柴油質量分數；Tb，2為醇類沸點；M2為醇類質量分數。此公式中M1lt;1，M2lt;1，αlt;1，βgt;1，且由于Tb，1gt;Tb，2，表明在計算過程中提升了混合燃料整體沸點，考慮了由于醇類汽化潛熱降溫對液滴蒸發過程的抑制作用，修正后的B計算公式如下：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑mi。（6）

基于修正后的公式計算所得摻混燃料綜合表征沸點Tb，l及B如表5所示。從表5可以看到，修正后的摻混燃料表征沸點Tb，l相對于原公式的Tb，max（565 K）有了一定程度的提高，同時B與原公式計算結果相比也有了提升，表明受醇類低沸點、高比熱容、高汽化潛熱的影響，噴霧溫度降低，整體液滴的蒸發過程受到抑制，液滴蒸發所需能量提高。

利用修正前與修正后的Higgins公式進行計算，環境溫度為800 K時不同摻混燃料噴霧液相貫穿距預測值與實際值對比如圖5所示。由圖5可見，Higgins公式修正前預測誤差較大，修正后Higgins公式預測誤差在0.3%以內，充分考慮了在噴霧發展過程中醇類燃料先于柴油燃料蒸發對燃料整體蒸發的抑制效果，驗證了修正后的Higgins公式在低溫工況下液相貫穿距預測的準確性。

2.2 基于物性的CONVERGE破碎模型修正

為了明晰醇類摻混燃料噴霧發展過程中的液滴破碎與蒸發過程，通過CONVERGE三維CFD仿真進行探究，首先進行了柴油模型的標定，以標定后的柴油模型為基礎，僅替換仿真模型燃料物性相關機理文件，固定模型參數，將噴霧液相貫穿距與氣相貫穿距作為噴霧特征參數進行標定，仿真計算結果如圖6所示。由圖6可見，LPL計算結果相近，未能反映試驗中摻醇導致柴油噴霧液相貫穿距增大的現象，說明針對不同的摻混燃料仿真模型，僅替換燃料物性文件在噴霧破碎、蒸發過程的預測上會存在偏差。

燃油高速噴出后，隨著噴霧的發展，液滴與空氣的相對運動速度逐漸降低，而噴霧溫度降低會抑制燃油蒸發，使得噴霧中留存更多未完全蒸發的低速油滴，導致剩余油滴平均相對速度降低，破碎過程受抑制，破碎時間延長，噴霧液滴整體平均尺寸增大。

為了對破碎及蒸發模型進行準確修正，首先提取不同摻混燃料液滴溫度 液滴尺寸（半徑）點圖（見圖7）。由圖7可以發現，摻混醇類造成整體液滴溫度降低，并且隨著醇類摻混比的增大，整體液滴溫度下降更明顯。而不同燃料的整體液滴尺寸范圍并未出現明顯差異，因此模型能夠體現不同摻混燃料蒸發過程的差異，而并未體現不同摻混燃料液滴破碎過程的變化。對于本研究選擇的CONVERGE仿真噴霧破碎模型，影響液滴破碎過程、決定液滴尺寸的關鍵參數為C2，因此需要對破碎模型參數C2進行調整。

本研究對不同醇類摻混燃料油滴與空氣的相對速度進行了計算，平均相對速度是通過將各液滴速度與其所在網格內氣體速度作差再取平均值計算得到的，計算公式如式（7）所示。圖8示出了計算得到的不同摻混燃料在噴霧發展過程中，不同時刻的液滴平均相對速度。從圖8可以看出，不同摻混燃料噴霧液滴的平均相對速度幾乎沒有差異，未能體現醇類摻混燃料噴霧液滴破碎過程中由于醇類蒸發吸熱、溫度降低導致的液滴平均相對速度的降低效果。

平均相對速度=∑（單網格內液滴速度-單網格內氣體速度）總網格數。（7）

除油滴與周圍氣體之間的相對速度外，液滴尺寸也是衡量油滴破碎程度的重要指標，本研究以SMD（Sauter平均直徑）和DV90（體積分布中90%噴霧顆粒所對應的粒度）作為液滴尺寸的表征參數。圖9及圖10示出不同摻混燃料SMD及DV90的對比，從圖中可以看出，不同摻混燃料的液滴尺寸幾乎沒有變化，仿真過程未能體現醇類蒸發吸熱、溫度降低對油滴破碎過程的抑制作用。

進一步提取不同摻混燃料氣相溫度場平均溫度和最低溫度，對比結果如圖11和圖12所示。從圖中可以看到，摻醇造成了噴霧氣相溫度場平均溫度與最低溫度的降低，且隨著醇類摻混比的增大，溫度降低的現象更加明顯。

除了計算氣液相溫度外，還可以通過計算不同醇類摻混燃料的柴油表征燃料蒸發率，驗證醇類蒸發吸熱的降溫效應對柴油組分蒸發過程的抑制作用。圖13示出不同摻混燃料同一組分蒸發率對比，蒸發率由式（8）計算：

蒸發率=氣相燃油質量（氣相燃油質量+液相燃油質量）。（8）

可以看出，摻混醇類導致柴油各組分的蒸發均受到抑制，且不同醇類摻混燃料在相同摻混比下的蒸發率下降程度幾乎一致。隨著摻混比的增大，柴油各組分的蒸發率進一步降低，即醇類含量的增加導致蒸發吸熱的降溫效應更加明顯，從而進一步地抑制了柴油組分的蒸發。綜上，可以判斷仿真模型對噴霧液滴蒸發過程的模擬比較準確，能夠復現醇類蒸發吸熱對液滴蒸發過程的抑制效果。

因此，以標定后的柴油模型為基礎、僅替換燃料的仿真模型的計算過程，能還原蒸發過程中因醇類大量蒸發導致的噴霧核心溫度降低、柴油表征燃料各組分蒸發率下降等參數變化情況，而不能充分模擬低溫工況下，摻混燃料由于醇類蒸發吸熱、溫度降低造成的液滴尺寸增大、液滴相對速度降低等液滴破碎過程抑制效應，所以需要對CONVERGE破碎模型的參數進行修正。

仿真模型中使用的是KH RT破碎模型^［21］，認為破碎子液滴尺寸與擾動波長成正比，如式（9）所示。同時引入了液滴尺寸變化率概念，認為原液滴尺寸變化并非階躍，而是與子液滴尺寸相關的連續變化過程，如式（10）所示。而C2是液滴尺寸變化率計算過程中的關鍵參數，如式（11）所示。

rc=C1ΛKH，（9）

drpdt=-rp-rcτKH，（10）

τKH=3.726C2rpΛKHΩKH。（11）

式中：rc為子液滴尺寸；ΛKH為擾動波長；rp為液滴尺寸；drp/dt為液滴尺寸變化率；τKH為破碎時間；ΩKH為最大增長率。

之前的討論已經證明，模型對液滴破碎過程預測不足，為彌補液滴尺寸變化，對模型中的破碎參數C2進行修正。圖14示出模型標定后的C2修正結果。

本研究結合Higgins模型提出參數C2與燃料物性的擬合關系，為仿真模型標定提供理論依據。擬合形式如式（12）所示，其中λ為0.600，γ為0.260，σ為2.214。

C2=λ×ρfρaγ×∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑miσ。（12）

式中：ρf為燃料密度；ρa為空氣密度；cp，liq為燃料比定壓熱容；Tb，l為燃料表征沸點；Tf為燃料初始溫度；hvap為燃料汽化潛熱；cp，air為空氣比熱容；Tair為空氣溫度。

2.3 CONVERGE破碎模型驗證與噴霧特性仿真

圖15示出C2修改后仿真計算所得的不同摻混燃料液相貫穿距和氣相貫穿距與試驗數據的對比。

從圖中可以看出，模型可以較好地預測摻混醇類對柴油噴霧液相貫穿距的延長作用，并且預測所得液相貫穿距與實際貫穿距較為接近。

為進一步驗證修正后CONVERGE仿真模型對摻混燃料噴霧液滴破碎抑制作用的預測結果，量化液滴的破碎效果，本研究提取了修正模型計算所得域內不同摻混燃料噴霧的SMD及DV90隨時間的變化曲線，如圖16和圖17所示。由圖可見，修正后的仿真模型可以較好地模擬醇類蒸發吸熱、溫度降低導致油滴破碎效果被抑制的過程。摻混醇類提升了噴霧SMD，并且SMD隨著摻醇比的增大而增大，說明燃油液滴整體尺寸范圍上升。

如圖17所示，燃油從噴嘴高速噴出，伴隨著燃油液滴的破碎，不同摻混燃料噴霧的DV90也逐漸下降并且最終穩定在某一數值，表明燃油液滴隨著高溫空氣的卷吸作用破碎加劇；摻混醇類提升了噴霧的DV90，并且隨著摻醇比的增大而增大，驗證了燃油液滴整體尺寸范圍上升，油滴破碎過程被抑制的結論。

另外，本研究利用修正后的模型進行了不同醇類摻混燃料油滴與空氣的相對速度計算，結果如圖18所示。可以看到，油滴平均相對速度先增大后減小并穩定在一定水平；隨著摻混比的升高，平均相對速度降低，同樣也表明修正后的模型驗證了摻醇導致噴霧油滴壽命增長、整體平均相對速度降低、破碎過程減慢的過程。

為量化摻混醇類對噴霧核心區域溫度的影響，提取域內不同摻混燃料軸線溫度及當量比發展變化曲線（見圖19）。從圖中可以發現，溫度在軸向上呈現先降低后升高的趨勢，其原因一方面為初始燃油溫度低，大量液態燃油與周圍空氣的傳熱導致對氣相噴霧的冷卻，另一方面為醇類燃油沸點低，在初始階段快速蒸發，引起噴霧根部當量比提升的同時也造成氣相燃油溫度的降低，高比熱容也削弱了熱空氣對噴霧的加熱作用，綜合造成噴霧核心溫度的急劇下降。隨著空氣的卷吸作用，燃油蒸氣與周圍空氣混合使得溫度逐漸上升，直至與環境溫度一致，氣相燃油被不斷稀釋，當量比逐漸下降。

通過提取不同醇類摻混燃料噴霧軸線上各物質組分濃度進行比較，可以驗證二元醇類摻混燃料蒸發次序差異。圖20中比較了不同摻混燃料噴霧軸線上的摻混燃料各組分分布情況，其中虛線代表四組分表征燃料質量分數之和，即柴油質量分數。可以看到，丙醇由于沸點遠低于己醇，在噴霧根部（小于20 mm處）集中大量蒸發且質量分數快速升高，其質量分數遠高于柴油組分。對于己醇，由于其沸點比丙醇高而比柴油低，所以在噴霧根部沒有集中大量蒸發，但其質量分數仍高于柴油質量分數。對于高摻混比醇類摻混燃料，噴霧根部醇類組分先于柴油組分蒸發的現象更加明顯。

綜上，對于柴油 醇摻混燃料噴霧，在燃油噴射后，醇類的快速蒸發吸熱造成摻混燃料噴霧溫度降低，進而抑制噴霧液相根部附近柴油組分的蒸發，這是抑制噴霧液滴蒸發及破碎過程，進而引起液相貫穿距延長的關鍵因素。

參照Higgins公式原理對CONVERGE模型做出修正后，模型可以較好地模擬低溫工況下醇類摻混對柴油噴霧破碎蒸發過程的抑制作用，可以較好地實現對柴油 醇摻混燃料噴霧氣液相貫穿距的預測。

3 結論

a） 醇類摻混對柴油噴霧破碎及蒸發過程的抑制作用造成了混合燃料液相貫穿距的增大，且隨著摻混比的增加，噴霧液相貫穿距也增大；

b） 基于Higgins理論模型并結合燃料物性，構建了適用于低溫工況的雙組分醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距預測模型，結果表明，由于二元燃料蒸發順序差異，Higgins公式中的B參數需要結合摻混燃料各組分沸點占比綜合計算，以體現醇類高汽化潛熱對噴霧液滴蒸發過程的抑制作用；

c） 醇類低沸點、高比熱容、高汽化潛熱的物性會對噴霧核心起到降溫效應，進而導致噴霧液滴破碎過程受到抑制，燃油液滴尺寸增大、破碎時間延長，CONVERGE仿真計算中的破碎模型參數C2需依據試驗數據以及燃料物性綜合計算進行修正與標定；

d） 在燃油噴射后，由于醇類組分沸點低，先于柴油組分蒸發，造成液滴周圍氣相溫度降低；其高汽化潛熱導致柴油液滴溫度降低，高比熱容進一步降低了高溫環境氣體對噴霧的卷吸加熱作用，綜合導致摻混燃料噴霧核心溫度降低，同時抑制了柴油組分液滴的蒸發及破碎過程，摻混醇類造成柴油噴霧液相貫穿距增大的主要原因是燃油整體液滴相對壽命延長。

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Multi Fuel Low Temperature Spray Characteristics Prediction Model Construction and Simulation Analysis

LI Yikai1，CHEN Jiasen1，SUN Chenghan1，YANG Ziming1，PAN Jiaying2

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China）

Abstract： To investigate the impact of alcohol blending on the spray characteristics of diesel under low temperature conditions and to clarify the relationship between the properties of multi fuels and spray characteristics， high speed photography technology was utilized to conduct spray experiments of mixed fuels which consisted of diesel and alcohols like propanol and hexanol with alcohol blending ratios of 0%， 20%， and 40% under low temperature conditions. Corrections were made to the Higgins liquid phase penetration distance prediction model and the CONVERGE simulation breakup model parameters based on the physical properties of the components of blended fuel. Furthermore， simulations were conducted to explore the effects of alcohol blending on the spray temperature and equivalence ratio distribution characteristics of diesel spray. The results show that the evaporation of alcohols is far superior to that of diesel under low temperature conditions. During the spray development process， alcohols evaporate before diesel. The high latent heat of vaporization leads to a decrease of temperature in the spray core area， which in turn inhibits the breakup and evaporation process of diesel droplets， ultimately resulting in an extension of spray liquid phase penetration distance. Moreover， as the blending ratio increases， the inhibitory effect becomes more pronounced.

Key words： spray characteristic;multi fuel;low temperature test;model correction;fuel;physical property

［編輯： 姜曉博］