CN112908140A

CN112908140A - 基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法

Info

Publication number: CN112908140A
Application number: CN202110093583.7A
Authority: CN
Inventors: 吴晗; 曹伟仁; 石智成; 薄亚卿; 曹智焜; 李向荣
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: CN112908140B

Abstract

本发明公开了一种基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法，用于对‑50#柴油在高寒地区的喷雾燃烧特性进行仿真；该方法包括：选取物理替代物表征‑50#柴油的物理特性，选取化学替代物表征‑50#柴油的化学特性；在进行柴油喷雾燃烧仿真时，当柴油处于液态时，采用所述物理替代物作为柴油替代物；当柴油从液态蒸发变为气态时，将柴油替代物从物理替代物切换为化学替代物。本发明能够同时较好地复现实际柴油的喷雾和燃烧特性。

Description

基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法

技术领域

本发明涉及柴油喷雾燃烧仿真技术领域，具体涉及一种用于高寒地区车辆的-50#柴油喷雾燃烧仿真方法。

背景技术

高寒地区车辆发动机冷启动过程中容易发生失火和间歇性着火现象，而且即使着火，粗暴燃烧倾向也较大，在冬季表现得尤为明显，严重影响了车辆的使用性能。其中，使用-50#柴油发生失火和粗暴燃烧的倾向最大，这与燃油的理化性质密切相关。

由于实验难以直接观察到缸内着火的微观演化过程，研究中通常通过仿真手段去探索冷启动过程中发生失火和粗暴燃烧的微观机理。仿真中目前普遍使用的柴油替代物是诸如正庚烷、正十二烷的单组分替代物，虽然喷雾形态与实际柴油相似，但喷雾气液相贯穿距离以及着火滞燃期与实际柴油仍存在一定差距，不能同时较好地复现实际柴油的喷雾和燃烧特性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于高寒地区车辆的-50#柴油喷雾燃烧仿真方法，能够同时较好地复现实际柴油的喷雾和燃烧特性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法，用于对-50#柴油在高寒地区的喷雾燃烧特性进行仿真；该方法包括：

选取物理替代物表征-50#柴油的物理特性，选取化学替代物表征-50#柴油的化学特性；

在进行柴油喷雾燃烧仿真时，当柴油处于液态时，采用所述物理替代物作为柴油替代物；当柴油从液态蒸发变为气态时，将柴油替代物从物理替代物切换为化学替代物。

优选地，所述物理替代物为：由正十六烷(n-C16H34)、异辛烷(i-C8H18)、十氢萘(C10H18)、1-甲基萘(C11H10)组成的四组分物理替代物；

所述化学替代物为：由表征-50#柴油的物理特性；选取由正癸烷(n-C10H22)、异辛烷(i-C8H18)、甲基环己烷(C7H14)、甲苯(C7H8)组成的四组分化学替代物；

所述切换所采用的对应关系为：正十六烷切换为正癸烷，异辛烷切换为异辛烷，十氢萘切换为甲基环己烷，1-甲基萘切换为甲苯。

优选地，将柴油替代物从四组分物理替代物切换为所述四组分化学替代物后，四组分化学替代物与其对应的四组分物理替代物所占质量分数相同。

优选地，正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘的质量分数为：正十六烷40％～50％，异辛烷8％～12％，十氢萘17％～23％，1-甲基萘20％～27％；以上组分质量分数之和为100％。

优选地，正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘的质量分数为：45.82％、9.84％、20.25％、24.09％。

有益效果：

本发明使用解耦的多组分物理化学替代物独立表征-50#柴油的物理和化学特性，在仿真过程中，当燃油从液态蒸发变为气态时，燃油粒子从物理四组分切换为化学四组分，相比目前普遍使用的单组分替代物(如正庚烷、正十二烷)，同时较好地再现了实际使用过程中-50#柴油的喷雾和燃烧特性。

附图说明

图1为四组分物理代替物与-50#柴油蒸馏曲线。

图2为本发明四组分物理替代物与四组分化学替代物的切换图。

图3为实施例一仿真与实验自由射流气液相贯穿距离对比图。

图4为实施例一仿真与实验滞燃期与着火位置对比图。

图5为实施例二仿真与实验自由射流气液相贯穿距离对比图。

图6为实施例二仿真与实验滞燃期与着火位置对比图。

图7为实施例三仿真与实验自由射流气液相贯穿距离对比图。

图8为实施例三仿真与实验滞燃期与着火位置对比图。

图9为实施例四仿真与实验自由射流气液相贯穿距离对比图。

图10为实施例四仿真与实验滞燃期与着火位置对比图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

考虑采用单组分替代物不能同时较好地复现实际柴油的喷雾和燃烧特性的问题，本发明采用物理替代物和化学替代物分别独立表征-50#柴油的物理和化学特性，并在仿真过程中进行切换，保证既能较好地复现实际柴油的喷雾特性，又能较好地复现实际柴油的燃烧特性。

下面首先分析物理替代物和化学替代物的组成。

(1)物理替代物：

实际柴油的组分大致分为四类：正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳香烃。对于柴油物理特性的表征组分主要考虑到柴油的馏程进行选取，既需要较高沸点的组分来匹配蒸馏曲线中的上限温度，也需要较低沸点的组分来匹配蒸馏曲线中的下限温度。基于以上考虑，选用由正十六烷(n-C16H34)、异辛烷(i-C8H18)、十氢萘(C10H18)、1-甲基萘(C11H10)组成的四组分物理替代物以表征-50#柴油的物理特性，并优化配比以准确表征-50#柴油的蒸馏特性、密度和黏度。各组分的质量分数如下：

正十六烷：40％～50％

异辛烷：8％～12％

十氢萘：17％～23％

1-甲基萘：20％～27％

其中，当各组分的质量分数如表1所示时，四组分物理替代物与实际-50#柴油的蒸馏特性曲线最为接近，如图1。

表1物理替代物各组分质量分数

组分	正十六烷	异辛烷	十氢萘	1-甲基萘
					质量分数	45.82％	9.84％	20.25％	24.09％

(2)化学替代物：

物理特性主要影响液相燃油的喷雾、破碎、蒸发过程，而化学特性主要影响气态燃油的化学反应过程。并且在计算流体动力学(CFD)中，喷雾和燃烧本身就是独立的模块，燃油的喷射、破碎、蒸发、燃烧解耦进行模拟，因此，本发明提出解耦的化学四组分替代物。因为目前小分子量表征物的化学反应机理较为成熟，选用由正癸烷(n-C10H22)、异辛烷(i-C8H18)、甲基环己烷(C7H14)、甲苯(C7H8)组成的四组分化学替代物表征-50#柴油的化学特性。

进一步的，指定液相燃油粒子蒸发到其对应的气相物质，当燃油从液态蒸发变为气态时，燃油粒子同时从四组分物理替代物分切换为四组分化学替代物，物理组分和其对应的化学组分之间的对应关系如图2，正十六烷切换为正癸烷，异辛烷切换为异辛烷，十氢萘切换为甲基环己烷，1-甲基萘切换为甲苯。其中，化学四组分替代物与其对应的物理四组分替代物所属物质类别相同，所占质量分数也相同。

综上，本发明基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法为：

选取由正十六烷(n-C16H34)、异辛烷(i-C8H18)、十氢萘(C10H18)、1-甲基萘(C11H10)组成的四组分物理替代物表征-50#柴油的物理特性；选取由正癸烷(n-C10H22)、异辛烷(i-C8H18)、甲基环己烷(C7H14)、甲苯(C7H8)组成的四组分化学替代物表征-50#柴油的化学特性；

在进行柴油喷雾燃烧仿真时，当柴油处于液态时，采用所述四组分物理替代物作为柴油替代物；仿真中选用Frossling model蒸发模型，指定Evaporation source为1-source all composite parcel species,使得液相燃油蒸发到指定的气相组分中，当柴油从液态蒸发变为气态时，按照图2的对应关系，柴油替代物将从四组分物理替代物切换为所述四组分化学替代物。切换后，四组分化学替代物与其对应的四组分物理替代物所占质量分数相同。

实施例一

选取正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘质量分数分别为42％、8％、23％、27％。

仿真与实验在相同的环境条件和喷射条件下进行，环境温度850K/900K、环境压力4MPa、喷射压力40Mpa，喷孔直径0.32mm，实验在可视化定容燃烧弹中进行。

仿真中喷雾破碎模型选用KH-RT模型，蒸发模型选用Frossling model模型，碰撞模型选用NTC模型，湍流模型选用RNG k-ε模型。

仿真中基础网格选取2mm，对喷嘴附近设置3级局部加密，对速度、温度进行3级自适应加密，最小网格尺寸为0.25mm。

比较仿真与实验在环境温度850K条件下自由射流喷雾的气液相贯穿距离，二者吻合度较好。在环境温度为900K条件下,实验滞燃期为1.50ms,轴向着火位置为50mm；仿真结果得到的滞燃期为1.58ms，与实验结果有5％的误差，这是由于实验与仿真对滞燃期定义方式的不同，实验统计的是发光滞燃期而仿真统计的是温升滞燃期。仿真轴向着火位置为58mm，比实验结果偏大，这是由于仿真中采用的组分数量有限，重质组分由于沸点高，蒸气主要集中分布在喷雾下游，而重质组分的十六烷值最高，着火性最好，因此着火的轴向位置会偏高。

实施例二

选取正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘质量分数分别为40％、12％、21％、27％。

其余仿真参数均与实施例一相同。

比较仿真与实验在环境温度850K条件下自由射流喷雾的气液相贯穿距离，二者吻合度较好。在环境温度为900K条件下,实验滞燃期为1.50ms,轴向着火位置为50mm；仿真结果得到的滞燃期为1.62ms，与实验结果有8％的误差，仿真轴向着火位置为58mm，比实验结果偏大。

实施例三

选取正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘质量分数分别为44％、12％、17％、27％。

其余仿真参数均与实施例一相同。

比较仿真与实验在环境温度850K条件下自由射流喷雾的气液相贯穿距离，二者吻合度较好。在环境温度为900K条件下,实验滞燃期为1.50ms,轴向着火位置为50mm；仿真结果得到的滞燃期为1.50ms，与实验结果完全一致，仿真轴向着火位置为53mm，比实验结果偏大。

实施例四

选取正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘质量分数分别为50％、11％、19％、20％。

其余仿真参数均与实施例一相同。

比较仿真与实验在环境温度850K条件下自由射流喷雾的气液相贯穿距离，二者吻合度较好。在环境温度为900K条件下,实验滞燃期为1.50ms,轴向着火位置为50mm；仿真结果得到的滞燃期为1.44ms，与实验结果有4％的误差，仿真轴向着火位置为50mm，与实验结果一致。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于多组分解耦物理化学替代物的柴油喷雾燃烧仿真方法，用于对-50#柴油在高寒地区的喷雾燃烧特性进行仿真；其特征在于，该方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述物理替代物为：由正十六烷(n-C16H34)、异辛烷(i-C8H18)、十氢萘(C10H18)、1-甲基萘(C11H10)组成的四组分物理替代物；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将柴油替代物从四组分物理替代物切换为所述四组分化学替代物后，四组分化学替代物与其对应的四组分物理替代物所占质量分数相同。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘的质量分数为：正十六烷40％～50％，异辛烷8％～12％，十氢萘17％～23％，1-甲基萘20％～27％；以上组分质量分数之和为100％。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，正十六烷、异辛烷、十氢萘、1-甲基萘的质量分数为：45.82％、9.84％、20.25％、24.09％。