CN117610235A - 旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法及系统。该方法包括：基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；根据初始液滴粒径以及多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的液相传质传热模型，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；响应于所述实时液滴粒径大于零，对多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至实时液滴粒径等于零，构建多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
Description
技术领域
本申请涉及发动机喷雾燃烧技术领域，特别涉及一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法及系统。
背景技术
液体燃料因其高比热和易于储存的特点被广泛用于化学发动机中，成为一种常用的燃料类型。在液体燃料燃烧过程中，雾化阶段属于初始阶段，获得适当大小的液滴直径是实现预期推力的关键技术。在过去几十年中，喷雾形成和发展的研究取得了重要进展，广泛应用于液体燃料火箭发动机、燃气轮机、内燃机、喷雾干燥和粉末冶金等领域。
在发动机燃料领域，微观液滴层面的研究是热点之一，有助于深入了解宏观喷雾燃烧过程。喷雾燃烧中，液体燃料雾化成小的燃油液滴并通过受热、蒸发和燃烧等过程，对于高效清洁燃烧至关重要，特别是对于航空发动机而言，液滴蒸发和燃烧直接影响可燃混合气形成、燃油蒸汽浓度分布和能量转换速率，决定发动机的燃烧性能、燃油经济性和排放性能。
因此，研究燃油液滴蒸发和燃烧是深入认识宏观喷雾燃烧过程、掌握喷雾燃烧机理和实现燃料高效清洁燃烧的必要前提。
发明内容
本申请的目的在于提供一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请实施例提供一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，所述预测方法包括：步骤S101、基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据所述多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；步骤S102、根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的所述多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；步骤S103、响应于所述实时液滴粒径大于零，对所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至所述实时液滴粒径等于零，构建所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
优选的，在步骤S101中，所述液滴粒径预测模型为：
其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；B为常数，取值为0.5536；σ为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的表面张力系数；μL为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合粘度系数；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；
D0为所述旋流缩扩式喷嘴的等直段内径；ρa为所述旋流缩扩式喷嘴中喷射气体的密度；ΔPL为所述旋流缩扩式喷嘴的喷注压降；Ds为所述旋流缩扩式喷嘴的旋流室的内径；L0为所述旋流缩扩式喷嘴的等直段长度；θ为所述旋流缩扩式喷嘴的喷嘴张角。
优选的，步骤S102包括：根据所述蒸发条件，对舍伍德数进行修正；根据修正后的舍伍德数以及所述初始液滴粒径，基于所述液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率；根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径。
优选的，所述蒸发条件包括：所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度和液滴组分质量分数；在步骤S102中，所述根据所述蒸发初始条件，对舍伍德数进行修正，包括：
在所述多元混合液相燃料的多元混合液滴当前时间步的液滴表面温度下，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的摩尔分数Xi,S；其中，Xi,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相摩尔分数；Pi,sat为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的饱和蒸气压；i为正整数，i＝1,2，…，N，N为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分数量；P为所述多元混合液滴雾化蒸发过程中的空气压力；
按照公式：
确定所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴中组分i的液滴组分质量分数Yi,S；其中，Mi为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分i的摩尔质量；Mair为空气的摩尔质量；
按照公式：
对当前时间步的液滴表面温度下的舍伍德数进行修正；其中，Sh*为修正后的舍伍德数，Red为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Scd为施密特数；
且按照公式：
确定传质数BM；式中，Y∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量分数。
优选的，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；ρ为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中多元混合液滴的蒸汽密度；D为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的气体扩散系数；Sh*为修正后的舍伍德数；BM为传质数。
优选的，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中当前时间步的液滴表面温度下的实时液滴粒径ds；其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率；Δt为预设的时间步长；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴混合密度。
优选的，步骤S103包括：响应于所述实时液滴粒径大于零，按照公式：
对所述蒸发条件中所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度TS进行更新；其中，T∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度；为所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率；H(TS-1)为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴上一时间步的液滴蒸发潜热；TS-1为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；T0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度的初始值；ds为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的实时液滴粒径；λ为所述多元混合液相燃料雾化蒸发过程中混合气体的导热系数；Nu*为修正后的努塞尔数；Δt为预设的时间步长；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；cp,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容；
基于更新后的所述液滴表面温度，对所述蒸发条件中的液滴组分质量分数进行更新，直至所述实时液滴粒径等于零，建立所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时雾化蒸发参数曲线；其中，所述雾化蒸发参数曲线表征所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的蒸发时间与对应的所述液滴表面温度、蒸发速率之间的关系；所述蒸发速率为当前时间步的所述实时液滴粒径与当前时间步的所述初始液滴粒径的比值的平方。
优选的，按照公式：
对当前时间步的液滴表面温度下的努塞尔数进行修正；
其中，Red为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Prd为普朗克数；BT为传热数；
且按照公式：
确定所述传热数BT；
式中，cp为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的定压比热容；T∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度；TS-1为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；H(TS-1)为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热；为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴由上一时间步至当前时间步的升温吸热量；/>为所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率；
按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴由上一时间步至当前时间步的升温吸热量以及上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热H(TS-1)；
cp,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；ds-1为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中上一时间步的液滴表面温度下的实时液滴粒径；
H(TS-1)i为上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的组分蒸发潜热；Yi,l为当前时间步的液滴表面温度下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相组分质量分数。
本申请实施例还提供一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测系统，用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，所述预测系统包括：初始化单元，配置为基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据所述多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；实时计算单元，配置为根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的所述多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；循环及预测单元，配置为响应于所述实时液滴粒径大于零，对所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至所述实时液滴粒径等于零，构建所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
有益效果：
本申请实施例提供的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，主要用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，该方法中，首先，根据多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，计算多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；然后，根据多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径，当实时液滴粒径大于零时，对多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至实时液滴粒径等于零，构建多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定多元混合液相燃料的多元混液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率，获得多元混合液相燃料多元混合液滴的生存时间，实现各类液体发动机中多元复合燃料喷雾蒸发过程参数的快速预测评估，为航空发动机技术研发提供有力支撑。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法的逻辑示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的旋流缩扩式喷嘴的结构原理图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物饱和蒸汽压随温度的变化曲线；
图5为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的气相粘度曲线；
图6为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的气相比热容曲线；
图7为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的气相扩散系数曲线；
图8为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的气相导热系数曲线；
图9为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的液相密度曲线；
图10为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的液相定压比热容曲线；
图11为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中部分有机物的液相蒸发潜热曲线；
图12为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中正十二烷/甲醇二元燃料喷雾蒸发参数曲线；
图13为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中JP-10/PO二元燃料喷雾蒸发粒径曲线；
图14为根据本申请的一些实施例提供的多元混合液相燃料中JP-10/PO二元燃料喷雾蒸发表面温度曲线；
图15为根据本申请的一些实施例提供的一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，试为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在涉及发动机燃料领域的研究中，微观液滴层面的探究有助于更深度地了解宏观喷雾燃烧过程。在喷雾燃烧中，液体燃料会被雾化成小的燃油液滴，并通过受热、蒸发和燃烧等过程，在高效清洁燃烧中发挥至关重要的作用。对于航空发动机而言，液滴蒸发和燃烧直接影响可燃混合气的形成、燃油蒸汽浓度分布和能量转换速率，决定发动机的燃烧性能、燃油经济性和排放性能。
因此，深入研究燃油液滴蒸发和燃烧是认识宏观喷雾燃烧过程、掌握喷雾燃烧机理和实现燃料高效清洁燃烧的必要前提。相较于常规小分子碳氢燃料，高能量密度碳氢燃料JP-10(C10H16)具有更高的体积热值和推进功率，有助于提高飞行器的性能。JP-10(二氯甲烷中)等高能量密度碳氢燃料可广泛应用于不同载荷和作业需求，而且具有低廉的生产成本。
尽管高能量密度碳氢燃料看似具有广阔应用前景，但在点火和燃烧效率方面仍存在一些挑战。混合高能量密度碳氢燃料，如JP-10和易燃高挥发性碳氢化合物，可作为一种有效的改进方式。然而，目前对多元混合燃料喷雾蒸发的有效建模方法尚未提出，针对旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数的预测方法和系统也尚未提出。
因此，有必要在锁定高能量密度碳氢燃料的性能优势的同时，深入研究其点火和燃烧过程的机制，探究多元混合燃料的喷雾蒸发及其特性参数预测方法和系统，以实现燃料的高效清洁燃烧，这将进一步提高航空发动机的性能和经济性，并且有利于大幅减少对环境的负面影响。
基于此，本申请提出了一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测技术，构建旋流缩扩式喷嘴雾化粒径和液滴蒸发速率的预测模型，对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，获得多元混合液相燃料多元混合液滴生存时间。在此，本申请中，以JP-10、PO、正十二烷(n-Dodecane)、甲醇(MeOH)为主要组成成分的多元混合液相燃料为例进行说明。
如图1至图14所示，该旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法包括：
步骤S101、基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径。
具体的，多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件包括：旋流缩扩式喷嘴的结构参数、多元混合液相燃料的初始物性参数、环境温度(T∞)以及环境压力(P)。其中，旋流缩扩式喷嘴的结构参数至少包括：旋流缩扩式喷嘴的等直段内径、旋流缩扩式喷嘴的喷注压降、旋流缩扩式喷嘴的旋流室的内径、旋流缩扩式喷嘴的等直段长度、以及旋流缩扩式喷嘴的喷嘴张角。多元混合液相燃料的初始物性参数包括：多元混合液相燃料的多元混合液滴的表面张力系数、多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合粘度系数、以及多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度。
液滴粒径预测模型如下：
其中，d0为多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；B为常数，取值为0.5536；σ为多元混合液相燃料的多元混合液滴的表面张力系数；μL为多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合粘度系数；ρl为多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；D0为所述旋流缩扩式喷嘴的等直段内径；ρa为旋流缩扩式喷嘴中喷射气体的密度；ΔPL为旋流缩扩式喷嘴的喷注压降；Ds为旋流缩扩式喷嘴的旋流室的内径；L0为旋流缩扩式喷嘴的等直段长度；θ为旋流缩扩式喷嘴的喷嘴张角。
其中，多元混合液滴的表面张力系数、多元混合液滴的混合粘度系数均为多元混合液滴的组分的加权平均值，即多元混合液滴的表面张力系数为各组分的表面张力系数的加权平均，多元混合液滴的混合粘度系数为多元混合液滴的各组分的粘度系数的加权平均。在此，各组分的表面张力系数、各组分的粘度系数均为标准值。此外，旋流缩扩式喷嘴中的喷射气体为高压空气，用于对多元混合液滴进行雾化，喷射气体的密度即为空气密度，与喷射气体的压力有关，可根据空气密度表获取；旋流缩扩式喷嘴的喷嘴压降为旋流缩扩式喷嘴的喷头前后空气的压力差。
本申请中，按照公式：
确定多元混合气体的密度ρa、多元混合液滴的混合密度ρl。
式中，ρair为空气密度，ρair＝1.29kg/m3；ρi为多元混合液滴中组分i(i为正整数，i＝1,2，…，N，N为多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分数量)的气相密度，Yi,ref为当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的参考质量分数。
Yi,l为当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相组分质量分数；ρi,l为当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相密度。在此，在不同的液滴表面温度下，多元混合液滴的各组分的液相、气相等质量分数、密度、摩尔质量等均为标准值。
其中，按照：
确定多元混合液滴中的组分i的参考质量分数Yi,ref和气相密度ρi。
式中，Yi,S为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴中组分i的液滴组分质量分数；Yi,∞为当前时间步(S)无穷远处的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴组分i的质量分数，取值为零；P为多元混合液滴雾化蒸发过程中的环境压力；Mi为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴组分i的摩尔质量；R为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴的实时液滴半径，R＝ds/2。
Tref为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴的参考温度；TS为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度；T∞为当前时间步(S)无穷远处多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度，即环境温度。
其中，在多元混合液相燃料的多元混合液滴当前时间步的液滴表面温度下，按照公式：
确定多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的摩尔分数Xi,S；式中，Xi,l为多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相摩尔分数；Pi,sat为多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的饱和蒸气压(基于安妥因方程计算多元混合液滴中各组分的饱和蒸气压)；P为多元混合液滴雾化蒸发过程中的空气压力。
然后，按照公式：
确定多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴中组分i的液滴组分质量分数Yi,S；其中，Xi,S为多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的摩尔分数；Mi为多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分i的摩尔质量；Mair为空气的摩尔质量，Mair＝29g/mol。
步骤S102、根据多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径。
具体的，首先，根据多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，对舍伍德数进行修正；然后，基于液相传质传热模型，根据修正后的舍伍德数(Sh*)以及初始液滴粒径，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率最后，根据多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率/>确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径。
本申请中，在根据多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，对舍伍德数进行修正时，按照公式：
对当前时间步(S，S为正整数，S>1)的液滴表面温度(TS)下的舍伍德数进行修正。其中，Sh*为修正后的舍伍德数，Red为多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Scd为施密特数，Sh*、Scd均为无量纲准则数。
在此，按照公式：
确定传质数BM。其中，Y∞为当前时间步(S)无穷远处的液滴表面温度(TS)下多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量分数，取值为零；Yi,S为多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴中组分i(i为正整数，i＝1,2，…，N，N为多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分数量)的液滴组分质量分数。
本申请中，按照公式：
确定多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数Red、以及施密特数Scd。式中，ρ为多元混合液相燃料的多元混合液滴的蒸汽密度，即多元混合气体的密度ρa；dS为多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；U为多元混合液滴与空气的相对速度；μ为液滴表面边界层中液滴蒸汽与空气混合气体的平均粘度；D为多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的气体扩散系数。
其中，按照公式：
多元混合气体的气体扩散系数D。式中，Di,air为多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分i的二元扩散系数；Xi为多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的摩尔分数，即Xi,S。在此，需要说明的是，在不同的液滴表面温度下，多元混合液滴各个单组分的物性参数，比如，二元扩散系数、摩尔分数、多元混合液滴与空气的相对速度等均通过实验室测量得到。
本申请中，在基于液相传质传热模型，根据修正后的舍伍德数(Sh*)以及初始液滴粒径，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率时，按照公式：
确定多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴的质量蒸发速率其中，d0为多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；ρ为多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中多元混合液滴的蒸汽密度；D为多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的气体扩散系数；Sh*为修正后的舍伍德数；BM为传质数。
本申请中，在根据多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径时，按照公式：
确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的实时液滴粒径(ds)。其中，d0为多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；为多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率；Δt为预设的时间步长；ρl为多元混合液相燃料的多元混合液滴混合密度。
步骤S103、响应于实时液滴粒径大于零，对多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至实时液滴粒径等于零，构建多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
具体的，在实时液滴粒径ds>0时，按照公式：
对蒸发条件中多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度(TS)进行更新。其中，T∞为当前时间步(S)无穷远处多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度；为多元混合液相燃料当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下多元混合液滴的质量蒸发速率；H(TS-1)为多元混合液相燃料的多元混合液滴上一时间步(S-1)的液滴蒸发潜热；TS-1为上一时间步(S-1)多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；T0为为多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度的初始值；ds为多元混合液相燃料雾化蒸发过程中混合气体的导热系数；Nu*为修正后的努塞尔数；Δt为预设的时间步长；ρl为多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；cp,l为多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容。
在此，按照公式：
对当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的努塞尔数进行修正。式中，Red为多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Prd为普朗克数；BT为传热数。其中，按照公式：
确定传热数BT、普朗克数Prd；式中，cp为多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的定压比热容；T∞为当前时间步无穷远处多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度，即环境温度；TS-1为上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；H(TS-1)为上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热。
按照公式：
确定多元混合液相燃料的多元混合液滴由上一时间步至当前时间步的升温吸热量以及上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热H(TS-1)；cp,l为多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容；ρl为多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；ds-1为多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中上一时间步的液滴表面温度下的实时液滴粒径；
H(TS-1)i为上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的组分蒸发潜热；Yi,l为当前时间步(S)的液滴表面温度(TS)下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相组分质量分数；其中，按照公式：
确定多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容cp,l、上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的组分蒸发潜热H(TS-1)i。
式中，cp,i,l为多元混合液滴中组分i的液相比热容；Hb，i为多元混合液滴中组分i在标准状态下的蒸发潜热；为多元混合液滴中组分i的标准沸点；TS-1为上一时间步多元混合液滴的表面温度；T∞为环境温度。
然后，基于更新后的液滴表面温度，对蒸发条件中的液滴组分的质量分数进行更新，直至实时液滴粒径等于零，建立多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的雾化蒸发参数曲线。
需要说明的是，多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分在雾化蒸发过程中，是时刻发生变化的，不同的液滴表面温度下，组成多元混合液滴的液滴组分并不相同。在液滴表面温度更新后，确定组成多元混合液滴的新的各组分的摩尔分数，然后，根据组成多元混合液滴的新的各组分的摩尔分数，确定更新后的液滴表面温度下蒸发条件中的液滴组分的质量分数，即对蒸发条件中的液滴组分的质量分数(Yi,S)进行更新。在多元混合液滴的各组分的质量分数发生变化后，对舍伍德数进行再次修正。
同样的，液滴表面温度发生变化时，多元混合液滴在雾化蒸发过程中，粒径、升温吸热量、多元混合液滴的混合密度、液相比热容、传热数等均发生变化，进而，根据发生变化后的参数，对努塞尔数进行修正。
依次循环，直至实时液滴粒径等于零，建立多元混合液滴的蒸发时间、蒸发速率与液滴表面温度之间的对应关系，即建立多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时雾化蒸发参数曲线。其中，蒸发速率为当前时间步的实时液滴粒径与当前时间步的初始液滴粒径的比值的平方。
通过本申请的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，可以快速的确定多元混合液相燃料的多元混液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率，获得多元混合液相燃料多元混合液滴的生存时间，实现各类液体发动机中多元复合燃料喷雾蒸发过程参数的快速预测评估，为航空发动机技术研发提供有力支撑。
本申请实施例还提供一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测系统，用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，如图15所示，该预测系统包括：初始化单元、实时计算单元和循环及预测单元。
其中，初始化单元，配置为基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；
实时计算单元，配置为根据多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；
循环及预测单元，配置为响应于实时液滴粒径大于零，对多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至实时液滴粒径等于零，构建多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
本申请实施例提供的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测系统能够实现上述任一旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，所述预测方法包括：
步骤S101、基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据所述多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；
步骤S102、根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴初始粒径，以及所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的所述多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；
步骤S103、响应于所述实时液滴粒径大于零，对所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至所述实时液滴粒径等于零，构建所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
2.根据权利要求1所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，在步骤S101中，所述液滴粒径预测模型为：
其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；B为常数，取值为0.5536；σ为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的表面张力系数；μL为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合粘度系数；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；
D0为所述旋流缩扩式喷嘴的等直段内径；ρa为所述旋流缩扩式喷嘴中喷射气体的密度；ΔPL为所述旋流缩扩式喷嘴的喷注压降；Ds为所述旋流缩扩式喷嘴的旋流室的内径；L0为所述旋流缩扩式喷嘴的等直段长度；θ为所述旋流缩扩式喷嘴的喷嘴张角。
3.根据权利要求1所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，步骤S102包括：
根据所述蒸发条件，对舍伍德数进行修正；
根据修正后的舍伍德数以及所述初始液滴粒径，基于所述液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率；
根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径。
4.根据权利要求1所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，所述蒸发条件包括：所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度和液滴组分质量分数；
在步骤S102中，所述根据所述蒸发初始条件，对舍伍德数进行修正，包括：
在所述多元混合液相燃料的多元混合液滴当前时间步的液滴表面温度下，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的摩尔分数Xi,S；其中，Xi,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相摩尔分数；Pi,sat为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的饱和蒸气压；i为正整数，i＝1,2，…，N，N为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分数量；P为所述多元混合液滴雾化蒸发过程中的空气压力；
按照公式：
确定所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴中组分i的液滴组分质量分数Yi,S；其中，Mi为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴中的组分i的摩尔质量；Mair为空气的摩尔质量；
按照公式：
对当前时间步的液滴表面温度下的舍伍德数进行修正；其中，Sh*为修正后的舍伍德数，Red为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Scd为施密特数；
且按照公式：
确定传质数BM；式中，Y∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量分数。
5.根据权利要求4所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率
其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；ρ为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中多元混合液滴的蒸汽密度；D为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的气体扩散系数；Sh*为修正后的舍伍德数；BM为传质数。
6.根据权利要求5所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中当前时间步的液滴表面温度下的实时液滴粒径ds；
其中，d0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的质量蒸发速率；Δt为预设的时间步长；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴混合密度。
7.根据权利要求1所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，步骤S103包括：
响应于所述实时液滴粒径大于零，按照公式：
对所述蒸发条件中所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度TS进行更新；其中，T∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度；为所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率；H(TS-1)为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴上一时间步的液滴蒸发潜热；TS-1为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；T0为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度的初始值；ds为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的实时液滴粒径；λ为所述多元混合液相燃料雾化蒸发过程中混合气体的导热系数；Nu*为修正后的努塞尔数；Δt为预设的时间步长；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；cp,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容；
基于更新后的所述液滴表面温度，对所述蒸发条件中的液滴组分质量分数进行更新，直至所述实时液滴粒径等于零，建立所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时雾化蒸发参数曲线；
其中，所述雾化蒸发参数曲线表征所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的蒸发时间与对应的所述液滴表面温度、蒸发速率之间的关系；所述蒸发速率为当前时间步的所述实时液滴粒径与当前时间步的所述初始液滴粒径的比值的平方。
8.根据权利要求7所述的旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测方法，其特征在于，按照公式：
对当前时间步的液滴表面温度下的努塞尔数进行修正；
其中，Red为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雷诺数，Prd为普朗克数；BT为传热数；
且按照公式：
确定所述传热数BT；
式中，cp为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发过程中形成的多元混合气体的定压比热容；T∞为当前时间步无穷远处所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的温度；TS-1为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴表面温度；H(TS-1)为上一时间步所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热；为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴由上一时间步至当前时间步的升温吸热量；/>为所述多元混合液相燃料当前时间步的液滴表面温度下多元混合液滴的质量蒸发速率；
按照公式：
确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴由上一时间步至当前时间步的升温吸热量以及上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴的液滴蒸发潜热H(TS-1)；
cp,l为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的液相比热容；ρl为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的混合密度；ds-1为所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中上一时间步的液滴表面温度下的实时液滴粒径；
H(TS-1)i为上一时间步多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的组分蒸发潜热；Yi,l为当前时间步的液滴表面温度下的多元混合液相燃料的多元混合液滴中组分i的液相组分质量分数。
9.一种旋流缩扩式多元液相雾化蒸发特性参数预测系统，其特征在于，用于对多元混合液相燃料的雾化蒸发特性参数进行预测，所述预测系统包括：
初始化单元，配置为基于预先构建的旋流缩扩式喷嘴的液滴粒径预测模型，根据所述多元混合液相燃料雾化蒸发的喷雾条件，计算所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径；
实时计算单元，配置为根据所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的初始液滴粒径，以及所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件，基于预先构建的所述多元混合液相燃料的液相传质传热模型，确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴在雾化蒸发过程中的实时液滴粒径；
循环及预测单元，配置为响应于所述实时液滴粒径大于零，对所述多元混合液相燃料雾化蒸发的蒸发条件进行循环更新，直至所述实时液滴粒径等于零，构建所述多元混合液相燃料的多元混合液滴的雾化蒸发参数曲线，以确定所述多元混合液相燃料的多元混合液滴雾化蒸发时的蒸发时间和蒸发速率。
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