Thick exchange layer evaporation model with natural convection effect and evaporation experimental study for multicomponent droplet

In order to investigate the high-temperature evaporation characteristics of multicomponent liquid fuel, three kinds of blended fuel: n-heptane/n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol were experimentally studied with and without forced convection. Further, based on zero-diffusion and infinite diffusion concept, this study expanded Thick Exchange Layer evaporation model with Natural Convection effect (NC-TEL) to multicomponent liquid fuels. The experimental results show that the droplet evaporation rate increases significantly with the increase of ambient temperature. Higher temperature leads to more significant relationships between the composition ratio and the evaporation rate. The effect of forced convection is not obviously under the circumstance in this paper. Then, the evaporation models were validated by experimental data. In general, the new NC-TEL model behaves better than the Ranz-Marshall (R-M) model, and the prediction accuracy at high temperature is improved by 8% to 35%. In lower temperature conditions, the prediction of zero-diffusion NC-TEL model is better than the infinite diffusion NC-TEL model. In high-temperature conditions, for n-heptane-ethanol droplet, the predictions of NC-TEL model are accurate, but for n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol, the predictions are lower than experimental results. This may be caused by the micro-explosion phenomenon and the Marangoni phenomenon.     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程，基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学，建立一维的全瞬态液滴燃烧模型，对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明，在超临界环境下，相比于煤油液滴纯蒸发过程，煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前；煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段，此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程；煤油液滴的火焰半径先增大，达到最大值之后开始减小，并减小为零，火焰温度在着火之后快速上升至最大值，并基本保持不变，在火焰半径减小为零之后开始降低；随着液滴初始直径的增大，火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟，着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

乳化油的蒸发和燃烧研究

本文从理论和实验两方面研究航空煤油和0~#柴油乳化液的蒸发和燃烧特性。结果表明,乳化油燃烧时出现的微爆现象能明显缩短油珠的生存期,对提高燃烧效率和强化燃烧十分有利;乳化油的燃烧,也为抑制氮氧化物和微碳粒的生成提供了有利的条件。文中也详细讨论了主要工作参数对微爆过程的影响,对乳化油的工程应用有参考价值。     

燃烧油滴内部蒸发的气泡周期性暴涨/碎裂

利用高速显微摄像技术捕捉到航空煤油RP-3挂滴的燃烧现象——微气泡周期性暴涨/破碎现象。环境温度为973K时,在直径为1.25mm的燃烧油滴内,捕捉到了微气泡的急剧暴涨和瞬间碎裂现象。即:①在0.04s内,微气泡直径增长41.6%;②在0.01s内,暴涨的气泡在油滴内破碎,激发油滴急剧振荡;③油滴恢复相对稳定的蒸发燃烧,内部残留的微气泡,启动第2轮暴涨/破碎;④经过3轮暴涨/破碎,油滴燃烧殆尽。因而得出:被高温加热的石英丝挂钩在油滴内部诱发的快速蒸发效应,是微气泡周期性暴涨/碎裂的驱动力，而表面张力则是油滴恢复并保持稳定燃烧的约束机制。      

燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响

采用混合分数平衡化学模型,燃烧与紊流相互作用的PDF模型和离散液滴模型,研究了不同位置喷射燃料对双模态冲压发动机燃烧室中煤油超声速燃烧凹槽火焰稳定特性的影响。结果表明,凹槽内均出现燃料和空气的混气,以及燃烧产生的高温区,可以达到稳定火焰,增强燃烧的目的;从凹槽局部参数以及燃烧室壁面静压的分布来看,凹槽上游0位置喷射燃料,更有利于燃料与空气的混合、燃烧,并且燃烧室总压损失较小,是最佳的喷射方式。验证了我们在实验研究中的所采取的设计方案。同时,有关煤油超声速燃烧的研究可以通过数值实验,并对实验测量起到指导作用,从而减少风洞实验次数。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

多组分液滴蒸发过程的理论模型及试验研究

建立了多组分液滴蒸发过程的理论模型，通过该模型计算了不同浓度的酒精液滴在静止环境中的蒸发过程，计算结果与试验结果基本一致。计算和试验结果表明：在蒸发过程中，液滴中酒精的浓度不断下降，受其影响液滴的蒸发速率也不断下降；酒精浓度和环境温度越高，液滴的蒸发速度越快。酒精液滴蒸发过程中，无量纲面积与时间不再是线性关系，这是与单组分液滴蒸发过程的本质区别。     

喷雾特性对液体火箭发动机燃烧稳定性的影响

用数值方法研究了一甲基肼／四氧化二氮自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）喷雾液滴直径对火箭发动机燃烧稳定性的影响。从喷雾特性对蒸发速率的影响规律出发,发展了喷雾液滴大小影响蒸发速率的物理模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞分析了燃烧不稳定性,应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,得到了对燃烧振荡的敏感分析,并给出了燃烧稳定性的极限图。