生物柴油喷雾及微液滴碰壁基础研究

This project involves two aspects but related research work: 1) Fundamental investigation of bio-diesel spray impacting on a solid surface. The spray investigation system, consisting of a high pressure, high temperature constant volume spray chamber, a high-pressure common-rail fuel injection system, Nd YAG lasers, and the Spray Master system, will be used for the investigation. Relevant numerical simulations will also be conducted. The effects of injection pressure, ambient pressure and the surface conditions (such as the roughness, the wettability and temperature) on the macroscopic behaviors such as the spray shape, the radial penetration length, and the spray height as well as the microscopic behavior such as the droplet size, velocity, number density and D32 will be individually investigated experimentally as well as numerically. The optimized injection condition coupled with the surface condition will be proposed. 2) Fundamental investigation of micro-size bio-diesel droplet hitting on a solid surface. The droplet-solid surface impaction system, consisting of a droplet generator, controlling circuit, laser light, high speed photography system, and a microscope system, will be used for the investigation. Effects of ambient pressure, Weber number， Reynolds number on the droplet deformation and the spreading radius will be systematically investigated. In the parameter space of ambient pressure and Weber number, the regime diagram showing different impacting outcomes will be mapped over a wide range of surface roughness, wettability and temperature. Theoretical models will be developed, based on which the transition boundaries between different impaction outcomes will be theoretically predicted and compared with experimental measurements.

本项目将开展两方面的研究工作：1）利用高温高压定容喷雾研究系统开展生物柴油喷雾碰壁基础研究，全面系统地探讨喷射压力、环境背压、壁面条件（如粗糙度、湿润性、温度、倾角等）等因素对生物柴油喷雾碰壁后的喷雾形态、喷雾径向贯穿深度、喷雾高度等宏观特性以及液滴粒径、速度、数密度分布、D32等微观特性的影响规律和机理，并结合数值模拟结果，总结出可得到最佳喷雾特性时的喷射和壁面参数组合，为优化发动机喷雾提供科学依据。2）利用液滴碰壁实验平台开展生物柴油微液滴碰壁基础研究，探讨Weber数、Reynolds数、环境压力以及壁面条件对液滴碰壁后的形态变化、铺展半径的影响规律，在环境压力-Weber数坐标平面内描绘出不同壁面条件下的生物柴油微液滴碰壁的碰撞结果区域图，并得到不同碰撞结果跃迁的临界参数，建立液滴碰壁后形态变化的理想模型，理论上阐明碰撞结果发生跃迁的根本原因。

本项目以生物柴油及其他物性流体为研究对象，完成了如下研究内容。(1)阐明了柴油和生物柴油喷雾宏观特性的异同及原因；获得了不同喷射压力、环境背压下，生物柴油喷雾碰壁时，垂直于贯穿方向的各个截面的液滴粒径、速度以及数量密度等分布，通过Spray Master和统计算法获得了D32，阐明了柴油和生物柴油 D32的异同及原因；发现了高速喷雾过程的激波现象，阐明了产生激波现象的临界喷雾边界条件；(2)发现了不同直径的液滴之间碰撞促进液滴碰撞后液滴聚合，发展了液滴碰撞后碰撞结果跃迁的理论模型，为喷雾破碎和聚合模型提供了重要科学依据。建立了不对称液滴聚合后混合强度与液滴直径比和物性的理论模型;获得了不同 Weber数及 Reynolds数下，生物柴油微液滴及其他流体在给定环境压力下与给定条件壁面正碰后形态变化的高速摄像视频；获得了不同条件下液滴碰壁后液滴飞溅的临界碰撞参数；理论阐明了表面张力、壁面和空气剪切以及粘性耗散等在液滴碰壁形变过程中的作用机理；发现了液滴碰撞聚合后混合强度随Weber数的非单调关系，进一步数值模拟了液滴碰撞过程并与实验进行了对比，获得了液滴碰撞后内部流动的物理模型，阐明了液滴碰撞后形成复杂内部流动的本质原因；(3) 此外，开展了生物燃料基础燃烧特性研究工作，率先发展了多种燃料的高温化学动力学机理，揭示了分子结构、初始条件等参数对着火、火焰传播的影响规律。.本项目完成了计划任务书要求的所有研究工作。项目负责人注重国际交流，研究成果应邀在国际会议做特邀报告2次，国际会议口头报告3次，研究成果发表国SCI际期刊论文10篇，EI论文3篇，均标注基金号，其中包括燃烧领域顶级期刊Combustion and Flame 2篇，Proceedings of the Combustion Institute 1篇。另外，两篇关于液滴碰撞和液滴碰壁的研究论文，已投稿至流体领域最知名期刊Journal of Fluid Mechanics和燃烧领域顶级国际会议（第36届国际燃烧会议）。研究成果作为该青年基金项目负责人的支撑材料，促成其成功获得国家自然科学基金委“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划培育项目一项（91541107）。在执行项目期间，项目负责人获得国家自然科学二等奖一项（内燃机低碳燃料的互补燃烧调控理论及方法，项目负责人排名第 4，2015 年）；教育部自然