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纳米流体燃油液滴蒸发特性及微爆机理研究

王继刚  
【摘要】:开发能量密度高、排放清洁的燃油是当前提高柴油机燃烧排放性能的主要方法。纳米流体燃油含金属或非金属纳米粒子,能提高燃油能量密度,液滴在柴油机缸内会发生微爆,产生二次雾化,促进燃烧。但是,纳米流体燃油的蒸发特性和微爆机理尚不清楚。本文以纳米流体燃油(柴油/纳米氧化铈)为研究对象,利用挂滴式单液滴蒸发试验装置,试验研究了纳米流体燃油的蒸发特性、膨胀特性以及参数影响规律,得出了纳米流体燃油微爆发生的特征条件,并探究得到了纳米粒子在柴油中的微爆机理;同时建立了一维单组份纳米流体燃油蒸发模型,为进一步研究柴油机实际缸内高温高压超微小燃油液滴的蒸发机理提供了理论参考。首先,将形态学图像处理方法应用于液滴图像处理中,并开发了批量图像处理程序。利用matlab软件结合形态学图像处理方法,实现了批量自动提取液滴蒸发过程直径数据的方法,并对图像处理带来的误差进行了计算,结果显示,该计算方法处理的液滴直径平方不确定度为4.35%,不会对液滴蒸发规律产生影响。其次,利用挂滴式单液滴蒸发试验装置对纳米流体燃油液滴蒸发特性进行了系统研究,获得了低温下和高温下液滴蒸发特性和微爆机理,并得到了纳米粒子浓度、初始液滴体积和环境温度对液滴蒸发的影响规律。通过多次重复试验验证了试验装置的一致性(可重复性),并对表面活性剂的无关性进行了验证。在此基础上,以柴油机缸内温度800K为界,分别研究了低温下和高温下纳米流体燃油的蒸发率曲线,并结合液滴蒸发过程图像,分析了液滴的瞬时蒸发率/当量蒸发率、蒸发阶段时间、阶段所占比例,获得了纳米流体燃油各阶段的蒸发特性。研究结果显示,低温下纳米流体燃油的蒸发比纯柴油慢,主要是因为蒸发过程中多孔球壳的形成抑制了蒸发;而在高温下纳米流体燃油蒸发都比柴油快,这主要是因为纳米粒子在液滴内部形成了异构成核位点,异构成核位点的形成使液滴内部产生大量气泡最终导致液滴微爆,加速了液滴蒸发。最后,建立了纳米流体燃油蒸发模型。基于经典D~2蒸发理论,选取正十六烷作为柴油的替代物,建立了一维单组份纳米流体燃油蒸发模型计算其蒸发率,并利用挂滴式蒸发试验数据验证了模型的可行性。为揭示微爆机理和对雾化特性的影响规律提供理论依据。


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