丁醇/麻疯树生物柴油液滴蒸发特性及喷气微爆研究

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开发生物质燃油是当前应对能源短缺和环境污染问题的有效方法。其中麻疯树生物柴油因其来源广泛且排放清洁得到国内外学者的广泛研究。但是麻疯树生物柴油密度、粘度相对较大,影响燃油在缸内的雾化燃烧。而在麻疯树生物柴油中加入丁醇,不仅可以改善生物柴油在蒸发、燃烧过程中的气化能力,还可以有效降低柴油机中污染物的排放。因此本文以丁醇/麻疯树生物柴油为研究对象,利用挂滴式单液滴蒸发试验装置,研究了丁醇/麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性、喷气微爆机理以及参数影响规律。本文首先结合试验需求,搭建挂滴式单液滴蒸发试验装置,开发了基于Matlab的图像处理程序,实现了从液滴图像序列中批量自动提取直径数据的方法,并通过多次重复试验,验证了试验装置的一致性。通过碱性酯交换法制得纯麻疯树生物柴油,并用直接混合法得到试验用油。以BUT20(掺混丁醇为20%的麻疯树生物柴油)燃油单液滴作为研究对象,通过单液滴蒸发试验研究了丁醇/麻疯树生物柴油的蒸发特性规律,并结合液滴各阶段蒸发时间、燃油液滴蒸发率以及单液滴蒸发过程形态图,综合分析得知液滴在低温和高温的蒸发微爆机理分为壳模式和成核模式。其次,还研究了影响液滴蒸发的关键参数(液滴中掺混丁醇含量、单液滴初始体积和环境温度)对液滴蒸发特性的影响规律。结合液滴D2/D02特性曲线、各阶段蒸发时间、燃油液滴蒸发率以及单液滴蒸发过程形态图对燃油蒸发特性进行综合分析,结果表明:在麻疯树生物柴油中掺混丁醇比例越大,越能促进液滴的蒸发,主要因为液滴内的低沸点组分(丁醇)在873 K时会迅速蒸发,使得气泡在液滴内部剧烈运动,液滴内的蒸气压增加,促使液滴喷气微爆,加速蒸发。随着液滴初始体积的增大,其液滴表面积也随之增大,同样加速了丁醇/麻疯树生物柴油液滴的蒸发。随着环境温度的提高,液滴内部燃油蒸汽运动剧烈,液滴内部气泡成核并增长,导致液滴出现明显变形。丁醇/麻疯树生物柴油单液滴蒸发各阶段特征出现了较明显变化,因此环境温度对丁醇/麻疯树生物柴油液滴的蒸发过程影响最大。最后,本文根据无限传热传质的蒸发模型,改进性的提出了一种结合热辐射的多组分液滴蒸发模型。计算了丁醇/脂肪酸甲酯燃油液滴的蒸发率,并将计算值与试验值进行对比验证。结果表明仿真结果能够与试验结果相吻合,通过仿真液滴的蒸发过程,可以获得燃油蒸发随温度的变化规律,为揭示微爆机理和对雾化特性的影响规律提供理论依据。
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