超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发与燃烧特性研究

admin · 发表于 2025-5-21 22:21:54

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雅宝题库解析：
石油系碳氢燃料在各类能源中占有重要的位置，其最主要的应用方向就是以喷雾燃烧的方式释放能量。在喷雾燃烧中，燃料液滴的蒸发与燃烧是喷雾燃烧的重要基础。直喷式柴油机、汽油机，燃气轮机，液体火箭发动机等动力机械均采用碳氢燃料喷雾燃烧的方式获得动力，在这些动力机械的燃烧室内燃料喷雾的蒸发与燃烧通常都是在超临界压力（环境压力高于燃料的临界压力）下进行的。随着环保题目的日益尖锐，二氧化碳排出量的限制已经非常严格，对于车用内燃机等动力机械而言，降低二氧化碳排放量的根本方法只有进一步改进和完善喷雾燃烧过程，提高这些动力机械的热效率。然而到目前为止，几乎所有的喷雾燃烧模型中液滴的蒸发与燃烧过程都是以常压经验为基础建立的，其所得到的结果在用于高压（接近或超过燃料的临界压力）时将产生较大的误差。因此，开展超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发与燃烧特性的研究是非常必要的。本文以Peng-Robinson状态方程为基础，建立了适用于高温高压条件下与碳氢燃料蒸发和燃烧相关的流体物理性质的计算方法，并通过与实验数据的对比验证了计算方法的有效性，解决了高温高压条件下流体物性值匮乏的题目，同时为超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发与燃烧特性的研究提供了必要条件；对液滴表面达到临界状态并不会使液滴瞬时蒸发完毕这一物理现象从理论上给予了全新的解释，为液滴表面发生迁移之后燃料液滴蒸发与燃烧的研究奠定了理论基础；采用同一质量守恒方程、组分守恒方程及能量守恒方程描述了液滴蒸发与燃烧过程中气相和液相的物理过程，实现了气相到液相大密度范围内物理过程的统一描述；将高压汽液相平衡、混合物临界点以及蒸发焓的概念引入到液滴表面的传热传质过程中，并对液滴表面迁移前后的物理过程进行了详细描述；最终开发了一个可以计算超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发与燃烧过程的计算模型、数值求解方法和计算程序，并通过与实验数据的对比验证了计算模型的有效性。利用开发的计算模型，研究了超临界压力下碳氢燃料液滴的蒸发特性，重点分析了液滴表面发生迁移前后液滴蒸发过程的物理控制因素，并探讨了环境压力、环境温度以及液滴初始温度对液滴蒸发特性的影响；在此基础上，研究了超临界压力下碳氢燃料液滴的燃烧特性，重点分析了液滴表面发生迁移前后液滴燃烧过程的物理控制因素，并探讨了环境压力、环境温度以及液滴初始温度对液滴燃烧特性的影响；最后，初步研究了不同正态烷烃液滴蒸发与燃烧特性的差异。通过对超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发特性的研究，得到如下结论：当液滴表面由燃料和环境气体组成的混合物达到其临界点时，液滴表面将发生从亚临界状态向超临界状态的迁移。在液滴表面迁移之前蒸发过程始终受相变控制，传热过程决定着液滴的蒸发速度。而在液滴表面发生迁移之后，燃料自高浓度的“燃料核心”向远方的扩散过程不受相变控制，此时决定液滴蒸发速度的并非传热过程，而是传质过程。另外，环境压力越高在液滴蒸发过程中液滴表面温度的升温速度越快，液滴表面发生迁移的时刻越早，并且在蒸发初期液滴直径的增大越显著，同时液滴在蒸发过程中形成的燃料蒸汽更多地集中在距离液滴较近的区域。环境温度越高液滴的蒸发寿命越短，液滴表面发生迁移的时刻越早，并且在蒸发初期液滴直径的增大越不明显，同时液滴在蒸发过程中形成的燃料蒸汽向远方边界的扩散速度越快。随着液滴初始温度的升高，液滴的蒸发寿命和迁移时刻几乎均呈线性趋势逐渐减小，液滴初始温度的高低会使液滴的蒸发过程整体上提前或延后。通过对超临界压力下碳氢燃料液滴燃烧特性的研究，得到如下结论：液滴着火之后液滴表面很快由亚临界状态迁移至超临界状态，在液滴的超临界燃烧阶段，燃料向燃烧反应区域的扩散速度决定着液滴的燃烧速度。另外，在燃料的临界压力条件下液滴具有最短的燃烧寿命。当环境压力低于燃料的临界压力时，液滴的燃烧寿命随压力的升高而逐渐减小；当环境压力高于燃料的临界压力时，液滴的燃烧寿命随压力的升高而逐渐增大。此外，随着环境压力的升高，液滴的着火时刻逐渐提前，火焰半径逐渐减小，并且火焰温度在快速上升期的上升速度逐渐减慢。随着环境温度的升高，液滴的燃烧寿命逐渐变短，着火时刻逐渐提前，火焰半径逐渐增大，并且火焰温度在快速上升期的上升速度逐渐加快。随着液滴初始温度的升高，液滴的燃烧寿命和着火时刻几乎均呈线性趋势逐渐减小，与液滴的蒸发过程相同，液滴初始温度的高低同样会使液滴的燃烧过程整体上提前或延后。通过对不同正态烷烃液滴蒸发与燃烧特性差异的研究，得到如下结论：在相同条件下，正态烷烃的碳原子个数越多，正态烷烃液滴的蒸发速度越慢，并且在液滴蒸发初期，液滴的升温速度越快，液滴直径的增大越显著。另外，在相同条件下，随着正态烷烃碳原子个数的增多，正态烷烃液滴的燃烧速度逐渐降低，着火时刻逐渐延后，火焰半径逐渐减小，火焰温度逐渐下降。

超临界压力下碳氢燃料液滴蒸发与燃烧特性研究

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