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乙醇混合燃料喷雾特性的研究

宋澜波  
【摘要】:液体燃料喷雾过程的研究,对于提高设备燃烧效率、降低污染物排放、提高燃烧稳定性和延长设备使用寿命等均有着重要的意义。生物燃料的广泛使用能够很大程度上减少化石能源的消耗,同时降低化石燃料燃烧对生态环境的破坏作用。本文针对不同乙醇掺混比的乙醇-柴油、乙醇-航空煤油以及乙醇-生物柴油三种类型混合燃料的喷雾特性进行了实验研究。主要工作如下:完成了液体燃料喷雾特性测试实验平台的设计与搭建,并编制了图像处理程序。喷雾特性测试平台由三部分组成:高压共轨燃油喷射系统,可进行喷射压力为30MPa~150MPa范围内的各种液体燃料的喷雾实验;可视化可控温、控压的定容压力装置,可实现不同喷雾环境压力(常压~12MPa)和环境温度(常温~500K)的调节与设定;光学测试系统,高速CCD纹影拍摄系统可实现对定容弹内部喷雾场进行实时测量与记录。编写了“喷雾过程高速Schlieren摄影图像处理”程序,该程序能够高效地处理和分析喷雾实验图像。开展了三种不同类型混合燃料喷雾特性的实验研究。研究了低背压环境下乙醇-柴油混合燃料的喷雾特性,分析了乙醇掺混比例、喷射压力以及环境压力三个参数对喷雾特性的影响。随后,提高了喷雾实验环境压力范围,对跨临界压力环境内乙醇-航空煤油混合燃料的喷雾特性进行了实验研究。引入了喷雾环境温度参数,研究了定容弹内温度和压力对生物柴油及其混合燃料喷雾特性的影响。结果表明,喷雾贯穿长度和射流尖端速度随着喷射压力的增大而显著增大,而喷雾锥角随喷射压力的增加不会发生太大的改变;环境压力同时影响喷雾的横向和轴向扩散过程,喷雾贯穿长度和液滴速度均随环境压力增大而减少,喷雾锥角随环境压力的增大而增大;环境温度主要影响射流的蒸发过程,喷雾液相贯穿长度具有随环境温度的升高呈线性增大的趋势;此外,乙醇的掺混比例直接影响喷雾液滴尺寸大小及分布特性,添加一定比例的乙醇能够提高高粘度液体燃料(如柴油、生物柴油)喷雾液滴的破碎程度及分布均匀性。根据大量的混合燃料喷雾实验数据对经验公式系数进行拟合修正,提出了基于广安博之模型的非蒸发喷雾计算修正模型和基于Siebers与Dent模型的蒸发喷雾计算修正模型。采用非蒸发喷雾模型对乙醇-柴油和乙醇-航空煤油混合燃料喷雾贯穿长度、喷雾锥角以及尖端液滴速度进行计算验证,结果表明该模型能够准确反映混合燃料喷雾锥角的变化趋势,并且对稠密环境中喷雾贯穿长度的计算体现出更高的精度。此外,该模型对于喷射后期贯穿长度和尖端液滴速度的计算值与实验结果吻合度更高。针对乙醇-生物柴油混合燃料蒸发喷雾模型中的液相和气相贯穿长度以及喷雾锥角计算公式系数进行修正与验证。通过对大量实验数据的分析,分别得到了喷雾气相贯穿长度和液相贯穿长度计算公式的待定系数。通过对实验数据的拟合得到了喷雾锥角计算公式的系数,研究发现该系数与乙醇掺混比相关,且随着混合燃料中乙醇掺混比的增加而增大。验证结果表明,修正后的模型能够较为准确地计算各种工况条件下混合燃料的喷雾贯穿长度及喷雾锥角。总之,燃料中掺入一定比例的乙醇不会导致喷雾贯穿长度、喷雾锥角等典型喷雾特征参数发生显著改变,因此可以在不改变燃烧室结构的基础上,在燃料中加入适当比例的乙醇,应用于各种燃烧设备中。另外,文中提出的圆柱射流喷雾过程相关特征参数(贯穿长度、喷雾锥角等)计算修正模型,其预测结果与实验数据吻合较好,因此可直接用于混合燃料圆柱射流喷雾过程的计算。


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