可控热氛围下碳氢燃料液滴流蒸发特性及其影响因素研究

预混合燃烧在现代柴油机燃烧中所占比重增大，在均质混合气压燃燃烧中占主导地位，预喷射燃油的蒸发、预混合气形成历程对燃烧和排放控制有重要影响。本项目基于可控热氛围燃烧器提供稳定的常压高温热环境，利用超声波雾化技术制备的多液滴流（单向流动的液滴群），模拟喷雾外围大量液滴的流动特征和蒸发条件，实现喷雾破碎雾化过程与液滴流蒸发过程的解耦。研究正庚烷、异辛烷及其混和燃料多液滴流在常压高温热氛围下的流动和蒸发规律，研究热氛围温度、液滴速度、液滴直径、液滴体积浓度等因素的影响规律，以及导致自燃发生的边界条件，为碳氢燃料喷雾蒸发、混合气形成及预混合燃烧控制提供有力的实验和理论支撑，也为HCCI燃烧的燃料设计及自燃着火控制提供理论和实验依据。

喷雾湍流燃烧直接决定着多种实际动力机械的燃烧效率、排放等关键特性，因此一直是国际学术界的核心基础研究领域之一。在国际上，以澳大利亚悉尼大学为代表，基于可控热协流燃烧器，将气体燃料射流改进成预混合液滴流，模拟实际喷雾稀疏区状态，推动喷雾湍流燃烧研究进入了一个新阶段。.本项目在国内率先采用超声雾化和载气输运方法制成连续流动的碳氢燃料液滴流，研究了液滴流的流动、蒸发和燃烧规律，基本达到了项目预期目标。本项目研发的液滴流系统生成的液滴粒径约2~100μm，液滴流速度可超过50m/s，全局燃空当量比0~5，且三者独立可调，能够比较真实地模拟实际喷雾稀疏区的状态。本项目开发了可控温度范围能够覆盖燃料沸点，接近燃料自燃点的空气热协流系统，具有均匀的速度场、温度场，以及可调的协流湍流强度。结合原有能够满足液滴流火焰研究需要的高温可控热协流燃烧器，本项目具备了研究液滴流流动、蒸发和燃烧的坚实基础。本项目采用高速摄影、高速纹影、PIV等方法研究了液滴流在不同协流温度条件下的流动特征，采用马尔文公司SprayTec喷雾粒径分析仪测试了液滴流粒径特征，研究其蒸发特性及不同因素的影响规律，发现液滴流SMD随着热氛围温度的升高、载气流量的增大和协流湍流强度的增大而减小，但随着燃料流量的增大而增大。本项目研究了液滴流自燃火焰特性，发现了在不同热氛围温度条件下的预混合蓝色火焰和部分预混合黄色火焰特征，分析了液滴流载气流量和燃料流量、液滴流粒径、正庚烷/异辛烷混合燃料配比、协流热氛围温度等参数对火焰基部位置及火焰形态的影响规律。针对多液滴流流动、蒸发和燃烧特性，项目利用Fluent等CFD软件开展了流动和燃烧模拟研究。.悉尼大学以丙酮、甲醇和乙醇为主要研究对象，而本项目研究的碳氢燃料主要包括正庚烷、异辛烷、正丁醇，以及汽油、柴油及其混合燃料，研究成果对深入分析内燃机的喷雾湍流燃烧有重要参考价值。