多组分生物燃料液滴蒸发过程研究

生物乙醇和生物柴油是发展迅速且潜力巨大的两种生物燃料,在最近关于生物乙醇、生物柴油与常规柴油掺混的三组分燃料的研究中发现了许多良好的燃烧特性。然而,人们对于这种轻质+中质+重质组成的新燃料的蒸发和燃烧机理尚不清楚,其蒸发特性尚待研究。本文在建立的描述多组分液滴蒸发所需的气相模型、液相模型、气液界面耦合方程基础上,对多组分生物燃料液滴的蒸发过程进行了研究并得到液滴表面以及内部详细的组分和温度分布。     

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性。结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾角越大,液膜回卷和液滴滚动现象越显著,且液滴铺展面积越大,在壁面停留时间越长;减小液滴雷诺数、减小壁面粗糙度并采用垂直粒化仓壁面有利于壁面防黏结。     

生物柴油高压共轨喷雾特性的试验研究

应用高速摄影系统与高压共轨系统,在高压定容器内研究了生物柴油的喷雾特性,并与柴油进行了对比。结果表明,生物柴油油束形态比柴油细且长,喷雾贯穿距离比柴油大,喷雾锥角比柴油小;高的运动黏度与表面张力导致生物柴油雾化性能比柴油差。随着喷油压力的升高,生物柴油喷雾贯穿距离变长,喷雾锥角增大;随着背压的升高,生物柴油喷雾贯穿距离...     

汽油掺混丁烷的GDI喷雾特性研究

本文用纹影法研究了汽油掺混30%丁烷(体积比,B30)后在GDI孔式喷射下的喷雾特性,并对喷嘴附近的近场喷雾液相进行了高速摄影研究。丁烷的闪急沸腾对燃油的喷雾特性影响较大,B30在0.1 MPa背压下的喷雾与汽油喷雾相比,贯穿距减小、锥角增大、喷雾投影面积增大;0.5 MPa下无明显差别。近场拍摄喷雾开始和结束后的残余液滴图像表明B30的喷雾液滴状态改变明显。10.0 MPa喷射压力下近场区域内的破碎情况对燃料挥发性的敏感性下降。     

苄基叠氮化合物液滴蒸发特性试验研究

为了探究叠氮复合柴油实现快速燃烧的根本原因,本文在挂滴试验装置上利用高速摄像技术观察了初始直径为1.42 mm的苄基叠氮化合物液滴蒸发过程中的形态变化,研究了环境温度对液滴蒸发特性的影响。试验结果表明当环境温度达到苄基叠氮化合物发生液相化学反应的温度时,液滴的蒸发特性将发生根本改变,而且在液滴蒸发过程中观察到了液滴变形、气泡产生和膨胀、喷气、微爆等四种主要现象,这一强烈的反应是液滴内部的苄基叠氮化合物在液相中分解高速释放出的N_2所引起地。     

基于金属薄膜热源的喷雾冷却可视化实验研究

本文采用铝箔片作为模拟热源,结合红外热成像技术,对喷雾冷却换热特性进行可视化研究。发现相对于普通实心喷嘴,所喷射液滴轨迹具有切向力的旋转轨迹的喷嘴所得到的换热能力更强,但是在热沉表面温度分布上,不能产生带有旋转切向力的液滴的喷嘴效果更好;随着薄膜热源的输入功率的升高,其喷雾冷却的换热系数随之减少。在质量流量及喷嘴压力较高条件下,这种趋势更为明显。     

激光手术喷雾冷却中单液滴蒸发理论模型的比较

制冷剂喷雾可对激光治疗葡萄酒色斑过程进行有效冷却以保护表皮不受热损伤,其瞬态喷雾冷却过程涉及复杂的液滴蒸发、强烈的对流换热和质量传递.本文对描述制冷剂喷雾平衡蒸发阶段单个液滴蒸发的理论模型进行改进,比较了基于各种假设的七个气相传质模型对R-134a喷雾冷却过程中单个液滴蒸发特性的影响,发现考虑过热影响的气相模型所预测的蒸发过程最接近实验结果,用该模型研究了液滴初始直径和速度等参数对液滴蒸发特性的影响.     

直流电场作用下生物柴油液滴的雾化特性和燃烧特性研究

设计搭建了电场作用下燃油液滴燃烧实验装置,对比了不同电压下生物柴油液滴的形态演变、变形程度、子液滴等行为,分析了不同电压下液滴火焰形貌演变、火焰尺寸等燃烧特性及最高液滴温度变化。结果表明,电压为3 k V和4 k V的电场会诱发生物柴油液滴产生锥射流,其破碎生成子液滴,尺寸范围为20～120μm,速度基本低于2.5 m·s^-1;受电场对火焰和液滴的综合影响,火焰变化主要表现为高度减小、宽度增大,纵横比减小;电压为1 k V和2 k V的电场降低了最高液滴温度,而当电压增加至3 k V和4 k V时最高液滴温度增加。     

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

喷孔直径对柴油射流雾化影响的实验研究

本文利用可视化高压定容弹,就常压环境下高速射流在破碎过程中的近场及远场的雾化特性随喷孔直径变化的规律进行实验研究。研究结果表明:对于远场喷雾来说,随着喷油压力和喷孔直径的增大,导致流动阻力的减小,从而导致贯穿加速度增大;而在近场区域,利用长焦显微技术拍摄的微观图像显示,随着喷雾的发展,液柱逐渐失稳,出现类似不稳定波的拟序结构;近场喷雾锥角随着喷孔直径的增大呈现增长的趋势,这是主要是因为长径比的减小导致流动阻力的减少,进而引起湍动能的增加,最终体现在法向湍流脉动速度的增加引起了锥角的增大。     

液滴撞击壁面铺展及换热过程数值模拟

基于喷雾冷却时液滴撞击壁面现象,本文采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对不同工况下单液滴撞壁过程进行数值模拟,获得了单液滴撞击热壁面动态特性;分析了初始速度、液滴直径等初始参数对液滴撞壁后的动态铺展规律以及壁面换热特性的影响规律,获得了上述参数变化时液滴铺展系数和热流密度的变化趋势;探讨了场协同效应、液滴内部气泡以及三线接触点对壁面换热的影响。碰壁现象的研究对于大型制冷机组室外机散热、高热流电子器件散热等领域优化与控制喷雾有重要意义。     

R134a闪蒸喷雾液滴动力学特征实验研究

闪蒸喷雾是典型的气液两相流动,在能源、化工、航天、医疗生物和食品生产等领域中应用非常广泛,对闪蒸喷雾形成的气液两相流中液滴粒径与速度的分布规律进行研究具有重要意义。本文搭建了闪蒸喷雾实验台,以R134a制冷剂为闪蒸喷雾工质,通过特定喷嘴形成闪蒸喷雾气液两相流。应用PDPA对闪蒸喷雾液滴直径和速度沿喷雾轴向方向和径向方向进行系统测量,拟合出了液滴轴向和径向无量纲速度沿径向无量纲距离变化的经验关联式。     

快速降压下Tween20 液滴真空闪蒸特性

为探究闪蒸喷雾冷却的微观机理, 设计并搭建了液滴悬挂式真空闪蒸实验装置, 利用可视化窗口探究Tween20 液滴闪蒸过程中的闪蒸特性及气泡生长机理. 液滴在快速降压过程中形态会经历气泡成核、气泡生长、伴随气泡生长、爆裂这四个阶段的变化, 并反复循环这一过程直至液滴稳定蒸发. 对于液滴温度的变化, 闪蒸室的终态压力起到了决定性的作用, 并且其终态温度随压力的升高明显上升. 同时通过液滴闪蒸过程形态图分析发现, 液滴在剧烈爆炸阶段其温度也发生明显下降; 在稳定蒸发阶段, 其温度也将开始稳定不变. 因此可知液滴的剧烈爆炸会带走其自身的大量热量. 而 Tween20 浓度对液滴温度的影响微乎其微, 但其会使液滴内气泡的初始成核时间发生明显滞后, 并抑制液滴内的气泡发生破裂.     

PODE3-5/柴油混合燃料高海拔喷雾特性研究

利用定容弹喷雾试验台,开展了柴油、PODE_3-5/柴油混合燃料(20%PODE_3-5+80%柴油)、PODE_3-5三种燃料喷雾特性试验,研究了不同海拔热力学边界条件下混合燃料喷雾浓度场分布,喷雾贯穿距和喷雾锥角以及喷雾体积、卷吸质量、轴向和径向当量比、索特平均直径的变化规律。结果表明：随着海拔的升高,混合燃料喷雾过程中韦伯数和奥内佐格数降低,抑制了燃料二次雾化破碎,环境压力对喷雾纵向发展影响较为明显,环境温度对喷雾横向发展更为明显。PODE_3-5燃料较低的蒸馏点和运动黏度促进了雾化发展,导致喷雾贯穿距和喷雾锥角同时降低,且降低幅度随PODE_3-5含量增加和海拔升高而增大。海拔5500m环境条件下,PODE_3-5/柴油混合燃料喷雾贯穿距和喷雾锥角比柴油分别减小9.2%和22.1%。     

梯度表面能材料上液滴运动特性实验

对水平和30°倾角放置梯度表面能材料表面上液滴运动特性进行了可视化实验,分析了液滴在梯度表面上运动速度的变化规律,以及液滴大小和表面倾角对运动速度变化的影响.实验结果表明:在梯度表面能材料上,液滴能获得较大的宏观运动速度,并可以沿30°倾角放置的梯度表面材料上自下而上的运动;大液滴较小液滴的峰值运动速度大,运动距离更远;液滴在运动过程中出现蠕动的现象.     

基于OpenFOAM的异戊烷闪蒸喷雾动力学特性研究

石油、化工等过程工业中,由于压力容器或者管道破裂而容易引发高压危险化学品泄漏形成闪蒸喷雾.掌握这类闪蒸喷雾动力学特性对事故危害的风险评估具有重要意义.本文通过开源库OpenFOAM及网格局部加密技术对异戊烷闪蒸喷雾进行了数值仿真研究.不同喷雾初始压力和过热温度下模拟喷雾形态结果、以及液滴粒径与速度分布,均与高速摄像机拍...     

油面上相邻Leidenfrost液滴的相互作用及运动机制

热油面液滴蒸发是自然现象,已有研究侧重于单滴蒸发,对于热油面上多滴蒸发的认识较少.本文研究了热硅油面两个等直径FC-72液滴的Leidenfrost蒸发,油温为74.0—130.0℃,液滴初始直径为1.5 mm,采用红外热成像及高速摄影测量,发现热油面液滴蒸发存在非聚合、弹跳、分离3个阶段.本文理论分析了液滴在水平方向的受力,包括非均匀液滴温度产生的Marangoni力、重力水平分量、润滑推动力、黏性力.尺度分析表明Marangoni力和重力水平分量起关键作用,Marangoni力趋向于液滴分离,重力水平分量趋向于液滴聚合.在非聚合蒸发阶段,重力水平分量克服Marangoni力,但两液滴间存在气膜夹层,解释了两个液滴看似接触但不聚合的现象.随液滴尺寸减小,重力水平分量减小,不足以克服Marangoni力,这是导致蒸发后期两滴分离的主要原因.最后通过将模型得到的不同阶段间的转换时间同测量值进行对比,证实了上述解释.本文研究有助于理解复杂的Leidenfrost液滴动力学现象和机理.     

基于单液滴实验的闪沸喷雾二次破碎机理研究

为了深入研究闪急沸腾喷雾二次破碎即大尺度液滴的破碎机理,本课题以甲醇和乙醇两种燃料为研究对象,利用特殊设计的过热液滴发生器,通过显微阴影成像技术捕捉并分析处于闪沸状态过热液滴的宏观形态、内部空隙率及其破碎特性,研究表明:甲醇及乙醇两种燃料的过热液滴形态主要受液滴温度和过热度影响,而当过热度增加时,液滴内空隙率逐渐增加,从而显著降低了液滴的表面张力。此外,当过热度达到250C时,过热液滴内部空隙率超过50%从而发生剧烈破碎,伴随产生大量小尺度液滴,标志着闪沸喷雾二次破碎模式由传统的机械破碎模式向热力学破碎模式的转变。同时结果表明对于两种实验燃料,过热液滴破碎的临界过热度及对应的空隙率数值基本不变。     

表面特性对矩形小流道内液滴脱离现象的影响

本文设计了一个可视化微小平直流道,利用摄影装置观察记录了液态水通过平板内部直径70μm的微孔在水平平板表面上形成液滴并成长直至脱离的过程,分析了不同流道高度条件下接触角之差与液滴高度和通道内流动空气的雷诺数的关系,并且进一步讨论了平板表面特性对液滴脱离高度和接触角之差的影响.     

荷电液滴雾化演变过程的可视化研究

基于显微高数数码摄像技术对毛细通道荷电液滴雾化模式的演变过程进行了可视化研究。以不同乳化状态的生物柴油、无水乙醇、去离子水为研究介质,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴雾化的显微形貌进行了微距拍摄,探讨介质电导率、黏度及表面张力等对荷电液滴雾化模式演变的影响规律。实验结果表明:随着电导率的增加,维持滴状模式的荷电电压区间逐渐变窄,脉动模式的电压区间逐渐扩大,而锥射流模式的电压区间逐渐缩短。对于低表面张力的绝缘性液体,黏度的降低可获得亚微米级或纳米级的稳定多股射流喷射羽。而对于低黏度的绝缘性液体,表面张力的增加会导致荷电雾化的雾滴平均粒径偏大且不均匀。