叠氮复合柴油单液滴蒸发特性及气爆雾化机理研究

The substantial increase in the power density of the diesel engine means a great deal to armored vehicles, the bottleneck of which is high efficiency and rapid combustion of fuel. In this project, from the view of improving liquid fuel atomization and vaporization characteristics, by utilizing the exthermic decomposition under low temperature and the phase change of azide, an approach of fuel micro-explosion atomization based on liquid chemical reactions will be explored to enhance fuel atomization and vaporization. Based on the analysis of the physical and chemical properties of diesel-azides blends, a single droplet testing system with adjustable background pressure and temperture will be built. Then, by using the high speed microscopic camera technology and the laser diagnostic technology respectively, the droplet vaporization macroscopic characteristics and microscopic characteristics of diesel-azides blends will be investigated. The effect rule of the background pressure and temperature, the initial droplet diameter and the initial droplet temperature on the micro-explosion onset time and the vaporization velocity of diesel-azides blends with different ratio will be analyzed. Thereby the external conditions of the micro-explosion of diesel-azides blends can be achieved. Finally, the diesel-azides blends droplet vaporization model will be built, and the effect mechanism of the temperature, the heating value and the concentration of the released gas in the liquid chemical reaction of azide on the micro-explosion foundation of diesel-azides blends droplets will be revealed, it establishs the theoretical foundation and provides a new way to solve the problems of the rapid combustion organization of high power density engine.

大幅度提高柴油机的功率密度对军用装甲车辆具有极为重要的意义，其瓶颈在于燃油的高效和快速燃烧。本课题从改善液态燃油雾化、蒸发特性的角度出发，利用叠氮化合物的低温分解放热和相变特性，探索一种基于液相化学反应的燃油气爆雾化的方法，强化燃油雾化和蒸发过程。在对叠氮复合柴油的理化特性进行系统分析的基础上，建立背景压力、温度可调的单液滴蒸发试验系统，利用高速显微摄像技术和激光诊断技术分别对叠氮复合柴油液滴蒸发过程的宏观特性和微观特性进行研究，研究背景压力和温度、液滴初始直径和温度等参数对不同配比的叠氮复合柴油液滴气爆时刻和蒸发速率的影响规律，获得叠氮复合柴油产生气爆雾化的外部条件。并建立叠氮复合柴油单液滴蒸发模型，探明叠氮化合物液相化学反应的温度、热值和产生气体的浓度对叠氮复合柴油液滴气爆雾化的作用机理，为解决高功率密度柴油机实现快速高效燃烧过程中的难题奠定理论基础并提供新的技术途径。

大幅度提高柴油机的功率密度对军用装甲车辆具有极为重要的意义，其瓶颈在于燃油的高效和快速燃烧。本课题从改善液态燃油雾化、蒸发特性的角度出发，利用叠氮化合物的低温分解放热和相变特性，探索一种基于液相化学反应的燃油气爆雾化的方法，强化燃油雾化和蒸发过程。本课题对苄基叠氮化合物的合成和分解特性进行了测试，获得了苄基叠氮化合物的分解反应温度和分解反应热值。建立了单液滴蒸发试验系统，完成了叠氮复合柴油的蒸发特性分析，发现了高温下苄基叠氮复合柴油具有相对于柴油更加快速而剧烈的三阶段蒸发特征，液滴生存时间缩短，且出现了液滴变形、气泡产生和膨胀、喷气等现象，并对比分析了燃油配比和环境温度等对苄基叠氮复合柴油的蒸发特性的影响，验证了叠氮复合柴油分解反应对蒸发的促进作用。构建并验证了基于有效扩散率的多组分叠氮复合柴油蒸发模型和基于CLSVOF直接数值模拟方法的可模拟液滴形态突变蒸发模型，揭示了分解反应生成氮气是叠氮复合柴油气爆雾化的根本原因，分解放热对液滴蒸发特性影响较小，为解决高功率密度柴油机实现快速高效燃烧过程中的难题奠定理论基础并提供新的技术途径。