二甲基醚液滴超临界蒸发的数值模拟.pdf

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：061011 二甲基醚液滴超临界蒸发的数值模拟 刘斐 魏明锐。赵卫东孔亮 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074 通讯作者Tel：027Emaih sweizeng@publ．ic．wh．hb．cn． 摘要：建立了二甲基醚(DME)在N2介质中超临界蒸发的数学模型．采用状态方程法计算了DME．Nj 体系的高压气液相平衡，在相关文献的基础上得出一套流体热物性和输运参数的计算方法。完成了 DME超临界蒸发过程的数值模拟。从数值模拟的结果讨论了超临界条件下环境压力、环境温度和液滴 运动等因素对液滴升温、滴径变化以及生存时问的影响． 关键词：二甲基醚(DME)超临界蒸发气液相平衡数值模拟 1引言 二甲基醚(DME)作为柴油代用燃料，其开发应用有望缓解目前所面临的能源危机 和环境污染问题。但在内燃机上燃用DME，目前仍有许多理论和技术问题亟待解决。 当前内燃机普遍向着高增压的方向发展，燃烧室内的环境不断强化，燃料的蒸发面 临着更高的环境压力和温度，DME在缸内将发生跨临界蒸发。然而目前的喷雾燃烧模 拟计算(如KIVA程序)中，多采用的是常压蒸发模型，对于燃料蒸发这一过程进行了 高度的简化。这些简化假设在高压、超临界的条件下不再有效。其模拟结果必然会产生 很大的误差，从而影响到喷雾、燃烧模拟的准确性。深入研究超临界条件下DME液滴 蒸发过程，对于这一新兴的代用燃料在内燃机中的应用具有一定的现实意义和理论价值。 本文将结合燃料缸内蒸发的条件建立DME在内燃机缸内的超临界蒸发模型。并进 行了DME高压一超临界蒸发过程的数值计算，井据此分析缸内环境、液滴运动等因素 对燃料液滴蒸发过程的影响。 2超临界蒸发模型的建立 2．1数学模型 在DME超临界蒸发模型的建立中，作出如下简化假设：①液滴球对称；②气液界 面瞬时相平衡；③液相内部无温度梯度和浓度梯度；④液滴和周围气体处于均匀压力场 中；⑤无化学反应；⑥忽略Sorer和Dufour效应。 基于上述假设和分析，并在相关文献川的基础上建立如下数学模型： (1)由液滴蒸气的组份守恒方程可以导出液滴蒸发速率表达式为： In rh。燮f璺1 仙 I 1-BYv，J 其中，JD，J、P¨分别为液滴表面蒸气和惰性介质的密度；P、D为气体混合物的密度 基金项日：国家自然科学基金资助项目 738 和二元扩散系数；‘为的液滴半径；KJ、K产分别为液滴表面和自由流场中的燃料蒸 。 肌。 Qf． …、 A， 气的质譬搬㈧+警鲁：弘“等(卜去)；slI勰erwoodP 液滴半径变化率可由蒸发速率和液滴热膨胀率求得： 鲁一[南+云鲁鲁】 Q， (2)由能量守恒方程可以求得滴温变化率： _—_一罨_——————。。—…——__———。———’——_———_—————————————一 、．7／㈤ 生等lI等一巧磊麓瓦IIdt 岛％』彳lPz—1 A勺，，+c，一‘见，(A一1)／p，声I 勺一，勺一分别为蒸气和环境气体的定压比热；Nu为Nusselt数；胡为偏摩尔相变热。 4∞ 3∞ 3∞ 37D g嚣 g 卜840 、一 I-- 330 3