环境属性和燃料属性对液滴蒸发过程的协同作用机理

This project sticks closely to the strategic needs of Major Research Plan from the National Science Foundation of China-“Fundamental Investigation of Turbulent Combustion for Engines”, which aims to achieve a stable, efficient and clean fuel combustion under complex ambient conditions and confined space. It is noted that the research aspects of project are droplet evaporation and the formation of mixed fuel vapor. The research applies the high-resolution test techniques and the high-precision direct numerical simulation to study the single droplet evaporation characteristics of small molecular alcohols and macro-molecular hydrocarbons under the synergistic effects of ambient pressure, temperature and turbulence fields experimentally and numerically. The object of this research is to the effect of high temperature and pressure and turbulence on droplet evaporation, especially the heat and mass transfer characteristics under the collision of turbulent micro-scale vortex and droplet, thus acquiring the quantitative description of droplet evaporation characteristics under the synergistic effects of environment and fuel properties. Meanwhile, the effects of aerodynamic force, turbulence force, surface tension, and viscous force on droplet deformation and breakup are also to be studied to reveal the synergistic effects of environment and fuel properties on droplet deformation and breakup. As a whole, this research aims to enrich and develop the droplet evaporation mechanism and model, thus supporting for the development of controllable combustion technologies of advanced engines theoretically and making a contribution to the enhancement of the international influence in the combustion research community.

本项目紧扣“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划的战略需求：实现受限空间、复杂环境条件下燃油稳定、高效、清洁的燃烧，从燃料液滴蒸发及混合气形成的研究角度出发，利用高分辨率实验测试技术和高精度直接数值模拟方法，开展压力场、温度场和湍流场等多场量耦合作用下单质小分子醇类燃料和大分子碳氢燃料的单液滴蒸发过程试验和数值模拟研究。阐明高温高压条件下湍流对液滴蒸发特性的影响规律，尤其是微尺度涡团与液滴碰撞作用下的传热传质特性，获得适用于宽压力、温度范围并能综合表征气相湍流属性和液相燃料属性耦合作用的液滴蒸发特性的定量描述。探讨气相湍流力和液相表面张力博弈下产生液滴变形和表面剥离等失稳过程中液滴热边界层和组分边界层的演变规律，揭示环境属性和燃料属性对液滴蒸发过程的协同作用机理，丰富和发展液滴蒸发理论和模型，为我国发动机可控燃烧技术的发展提供理论支撑，为提升我国在燃烧研究领域的国际地位作出贡献。

本项目紧扣“面向发动机的湍流燃烧基础研究”重大研究计划的战略需求：实现受限空间、复杂环境条件下燃油稳定、高效、清洁的燃烧，从燃料液滴蒸发及混合气形成的研究角度出发，利用高分辨率实验测试技术和高精度直接数值模拟方法，开展压力场、温度场和湍流场等多场量耦合作用下单质小分子醇类燃料和大分子碳氢燃料的单液滴蒸发过程试验和数值模拟研究。.本项目建立了压力场、温度场、湍流场等场量参数独立可控的试验系统，获得了各向同性、均匀的湍流场。建立了高温高压单液滴蒸发试验系统，完成了单质小分子醇类燃料和大分子碳氢燃料蒸发和微爆特性实验研究，发现了环境压力对燃油蒸发的抑制或促进作用与燃油的临界温度有关，揭示了不互溶乳化油液滴和互溶多组分燃油液滴的微爆特性差异和影响机理。.建立了耦合流体体积法（VOF）和水平集法（LS）优点的CLSVOF方法的气液两相流界面捕捉模型，在保证质量守恒的同时还确保界面曲率的求解精度，并将蒸发速率作为气液相界面处的阶跃条件，构建了一种可模拟液滴蒸发过程中发生形态突变的液滴蒸发模型，考虑了燃料变物性参数的影响，通过界面处的气液相平衡模型，获取界面处气相和液相浓度之间的关系，实现了液滴蒸发过程的气液两相流联合模拟，通过相关的实验数据及理论对模型进行了传热传质校核与动力性校核，验证了模型的准确性。.利用直接数值模拟方法建立的模型，开展了高温对流环境下正十六烷液滴的蒸发过程数值模拟研究，获得了完整的速度、温度和组分场等场量参数，揭示了环境对流下液滴热边界层和组分边界层的演变规律，定量分析了热边界层和组分边界层对蒸发过程的作用机理，系统研究了环境温度、对流速度对液滴传热传质过程的影响，对比了表征传热传质速率的无量纲Sh数和Nu数的变化规律，获得环境参数对传热传质过程影响的定量描述。考虑非理想溶液的气液相平衡，探究了不同环境温度和压力下燃油属性对蒸发特性的影响。为我国发动机可控燃烧技术的发展提供了理论支撑。