燃料液滴加热蒸发模型的比较分析外文翻译资料

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燃料液滴加热蒸发模型的比较分析

S.S. Sazhin, T. Kristyadi, W.A. Abdelghaffar, M.R. Heikal

摘要

燃料液滴加热蒸发的液相和气相模型对比分析说的结果，适用于计算流体动力学（计算流体力学）代码。在液相模型中，分析的重点是在假设液体的导热系数是无限大的基础上，就是所谓的有效导热系数模型。我们比较了七个气相模型。六个基于各种假设的半理论模和一个仅仅基于实验数据的估计的模型。考虑到液滴周围的热边界层的厚度有限的气相模型，预测的蒸发时间最接近的一个基于实验数据的估计。在大多数情况下，液滴蒸发时间主要依赖于气相模型的选择。在加热和蒸发的初始阶段的液滴表面温度并不是实际依赖于气相模型的选择，而主要取决于液相模型的选择。各种气体模型的预测的直接比较，与现有的液滴加热和蒸发而不破裂实验数据，导致不确定的结果。各种液体和气体相模型的预测比较实验观察到的正庚烷液滴的总的点火延迟不破裂，表明这种延迟取决于选择液相模型，但实际上不依赖于气相模型的选择。在液滴破裂过程的存在下，蒸发时间和总的点火延迟强烈地依赖于气体和液相模型的选择。

关键词：液滴加热，热传导，辐射

1.简介

发展应用于工程和环境中准确高效描述燃料液滴加热蒸发的计算机模型是很重要的并且被被广泛认可^[1-11]。在大多数的这些应用，模拟液滴加热和蒸发过程必须在复杂的封闭三维空间里并且包含湍流的影响，燃烧，液滴破碎及相关现象^[12-15]。这已经导致我们需要在模型的复杂性及其计算效率中找到一个折中点，这是成功建模的基本前提。在[16-27]中，简化的液滴加热和蒸发模型已经比较先进了。在这些模型中，复杂的基础物理通过使用先关的数学工具描述出来。其中的一些模型包括那些考虑液滴内温度梯度的影响，液滴内部的再循环和辐射加热的模型实施到数字代码中，主要关注于模拟液滴的对流和辐射加热，蒸发以及燃料蒸气和空气的混合物的点燃^[28,29]。在[28]中，在对流换热系数为常数的情况下液滴内热传导方程的解析解的实施结果转变成数值代码。这个代码然后被应用到与柴油机相关的燃料液滴加热蒸发的数值模拟中，但没有考虑到液滴破裂的影响。这个方法被证明是比基于数值解的液滴内部离散热传导方程更加高效和准确，并且比比基于抛物线温度剖面模型的解决方案更精确。由于热辐射对液滴加热和蒸发的作用相对较小，所以作者考虑使用一个简化的模型，不考虑液滴内部辐射吸收的变化内液滴（这一结果和[26,27]中的结果相似）。

表1.1 文中所用符号及字母含义

续表1.1 文中所用符号及字母含义

在[28]中描述的模型在[29]中进一步发展。在后文中，基于零维代码研究了

在燃料液滴内部温度梯度对液滴蒸发，破裂和燃料蒸气和空气的混合物点火的影响。这个代码考虑了液相和气相的耦合并且描述了八部链式分支的反应机制。通过比较“有效热传导”模型（见[16]）和“有限热传导”模型，我们研究了温度梯度在液滴内部的影响，这两个模型都被实现为零维代码。在没有破裂的情况下，液滴内部温度梯度对液滴蒸发的影响在实际的柴油发动机中很小（不到5%左右）。然而在有破碎过程时，液滴内部的温度梯度导致蒸发时间明显下降。液滴内部温度梯度的影响导致了总的着火延迟的明显下降，即使是在没有破碎的情况下。在有破碎的情况下，这个影响被证明是显著的，导致总的着火延迟减小了超过一半。在描述液滴破碎和蒸发过程的流体力学计算代码中和燃料蒸气与空气的混合物的着火过程中考虑液滴内部温度梯度的影响。

尽管[28,29]中的结果很清楚的证明了基于液滴内部热传导方程解析解的新型液滴加热数值模型是有效的，但是还有一些重要的问题没有解决。首先，比较新型模型和基于离散液滴内部导热方程数值解模型的准确性和CPU效率是在假设气相参数是不变的情况下进行的（非耦合解决方案）。其次，新型模型的预测是在最简单的气相模型之一中研究的。没有研究选择其他的气相模型时结果会怎样变化。

本文的主要目的是围绕[28,29]中两个问题进一步分析，也就是说我们将要通过考虑气相与液相的耦合以及使用不同的气相模型来研究[28,29]中的新型模型。我们要分析的模型会在第二部分中讨论。分析的结果会在第三部分中展示盒讨论。最终总结的结果在第四部分。

2.模型

在液滴加热和蒸发的过程中，气相和液相强烈耦合。这些已经被静止球形无蒸发的液滴的气相液相热传导方程的解所证实。但是这种解决方法目前对于在计算流体力学代码中模拟的实际环境中移动蒸发的液滴似乎不是可行的。幸运的是在许多实际的应用中，其中包括在柴油机中的应用，气相的扩散率远远大于液相的扩散率(超过一个数量级) ^[11]。这就要求我们要将这些阶段的过程分开，并且考虑到气相适应参数的变化要比液相更快。除了液滴表面的温度不变外，热量从气体传递到液体所用到的假设和[30-32]中相同，这个问题已经被一些作者解决，其中包括[33-35]。如下是解决方案，开始时，气体到液滴的传热系数是无限大的，但是它会很快的达到稳定状态。如果忽略这个初始阶段（柴油液滴蒸发时这个阶段只有几个微秒），那么就可以假设液滴被气体加热时的传热效率是定值。这个假设普遍的在计算流体力学代码中使用(例如. KIVA, PHOENICS, VECTIS,FLUENT)，并且在我们的分析当中也被认为是有效的。这将允许我们考虑稳态的气相模型，并且假设所有的瞬态过程都只发生在液相中。接下来，我们将分别考虑气相和液相的模型。

2.1 液相模型

以下^[9]液滴加热的液相模型可以被细分为以下几组以提升复杂度：（1）模型基于假设液滴表面温度均匀并且不随着时间的推移而改变；（2）模型基于假设液滴内部没有温度梯度（液体的导热系数无限大ITC）；（3）模型考虑了有限液体导热系数，但是不考虑液体内部环流（传热限制）；（4）模型通过引入一个液体导热系数的矫正因子考虑了有限液体导热系数和液滴内部环流（有限导热系数ETC模型）；（5）根据漩涡动力学描述液滴内部环流的模型（涡旋模型）；（6）基于N-S方程完整解的模型。

第一组通过完全消除液滴温度的方程来减小系统的维度。这似乎在分析研究液滴蒸发和燃油蒸气/空气混合物的着火中是很常见的（例如[36-39]）。然而这组模型实际上对于大多数总要的应用来说似乎过于简单了。第五组和第六组由于他们的复杂性还没有被应

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