第33卷（2015）第3期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
V ol.33（2015）No.3
收稿日期：2014-12-19；修回日期：2015-03-07． 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51276127).
作者简介：宋晓超，硕士研究生，E-mail ：songxc@https://www.doczj.com/doc/ab5454416.html,.
通信作者：王天友，博士，研究员，E-mail ：wangtianyou@https://www.doczj.com/doc/ab5454416.html,.
DOI: 10.16236/https://www.doczj.com/doc/ab5454416.html,ki.nrjxb.201503033
燃油温度对生物柴油喷雾特性影响的模拟
宋晓超1，王天友1，孟祥赞1，贾 明2
(1. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072； 2. 大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024)
摘要：运用新近开发的生物柴油物性预测模型，对大豆生物柴油喷雾模拟研究所需物性进行了系统预测，并将大豆生物柴油添加到开源模拟软件KIV A-3V 的燃料库中．基于KIV A-3V 软件，研究了柴油机后喷工况(环境温度为800～1400K ，环境密度为1.2～3.0kg/m 3)下，燃油温度对生物柴油喷雾特性的影响规律．模拟结果表明：随着燃油温度的增加，生物柴油的液相贯穿距减小，燃油气相质量分数和索特平均直径增大；生物柴油燃油温度每增加50K ，其液相贯穿距降低约10%；燃油温度为473K 的生物柴油的喷雾特性与燃油温度为373K 的柴油基本相同．关键词：生物柴油；燃油温度；喷雾；液相贯穿距；燃油气相质量分数
中图分类号：TK464 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2015)03-0232-06
Numerical Investigation of the Effect of Fuel Temperature on Spray
Characteristics of Biodiesel Fuel
SONG Xiao-chao 1，WANG Tian-you 1，MENG Xiang-zan 1，JIA Ming 2
(1. State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；
2. School of Energy and Power Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China )
Abstract ：Properties of a soy methyl ester (SME )biodiesel for spray simulation were estimated using the recently de-
veloped biodiesel property prediction methods ，and SME biodiesel were added into the fuel library of an open source KIV A-3V code. The effects of fuel temperature on spray characteristics of SME biodiesel were numerically studied using the KIV A-3V code under post-injection conditions (ambient temperatures from 800 to 1400 K and ambient den-sities from 1.2 to 3.0 kg/m 3)of diesel engine. Simulation results show that ，with the increase of fuel temperature ，the liquid penetration of biodiesel is decreased while vapor mass fraction and Sauter mean diameter are increased. Bio-diesel liquid length decreases by 10% with 50 K increase of fuel temperature. Spray characteristics of biodiesel at fuel temperature of 473 K are similar to those of diesel at fuel temperature of 373 K.
Keywords ：biodiesel ；fuel temperature ；spray ；liquid penetration ；vapor mass fraction of fuel
与传统柴油相比，燃用生物柴油可降低微粒(PM )、一氧化碳(CO )和未燃碳氢(UHC )等有害排放物；但是，生物柴油具有生产成本高、热值低、雾化特性差以及氮氧化物(NO x )排放高等缺点．生物柴油相对于传统柴油，具有较高的密度、黏度和表面张力，导致其液相贯穿距较大，在柴油机工作过程中易发生湿壁现象[1]．Payri 等[2]通过试验发现传统柴油的液相贯穿距随着初始燃油温度的增加而减小．Park 等[3]通
过试验和模拟发现，在环境温度为300K 、环境压力为0.1MPa 及喷油压力为60MPa 时，随着燃油温度的增加，生物柴油的燃油液滴数量减少，燃油蒸气质量分数和索特平均直径(SMD )增大．石复习等[4]的研究表明：在常温下，环境压力为3MPa 、喷油压力为12.5MPa 时，提高生物柴油的燃油温度会导致SMD 减小．王谦等[5]研究了常温下生物柴油和传统柴油在不同掺混比例下的燃油喷雾特性，发现生物柴油体积
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分数为75%的混合燃油经过加热后，随着燃油温度的增加，其液相喷雾锥角、SMD和液相贯穿距均减小，并且当燃油温度达到413K和473K时的喷雾特性与温度为293K的0号柴油接近．
以上研究表明，提高燃油温度可以在一定程度上改善燃油的雾化．但目前关于燃油温度对生物柴油喷雾特性影响的研究多局限于常温环境，而在实际发动机运行时高温环境下的相关研究还鲜见报道．与试验相比，模拟不仅周期短、成本低，易于进行多种工况下的相关研究，并且可以得到试验难以测量的喷雾场数据，以便较全面地分析燃油温度对生物柴油喷雾特性的影响．
本课题组近期较系统地进行了生物柴油的物性预测模型开发及相关研究工作，开发了生物柴油的密度、黏度等物性预测模型[6-9]，并开展了物性对生物柴油喷雾特性影响的研究工作[10-11]．燃油后喷(上止点后65°～150°CA)是柴油机实现NO x和PM更低排放以满足严格排放法规的有效措施，但相对于传统柴油，生物柴油具有较长的液相贯穿距，尤其在后喷工况下，较低的环境压力导致生物柴油更易于发生湿壁现象[12]．因此，笔者基于计算流体力学(CFD)开源软件KIV A-3V[13]，研究了大豆生物柴油(SME)在柴油机后喷工况下，其喷雾形态、液相贯穿距、喷雾轴向和径向燃油气相质量分数分布以及SMD等喷雾特性随燃油温度变化的规律，并利用该软件计算了柴油的喷雾特性，并与之相比较．
1生物柴油物性预测和喷雾模拟
1.1 生物柴油物性预测
燃油物性是喷雾模拟研究的必要输入，但发动机模拟软件燃料库中一般没有生物柴油．因此，根据Wang等[11]的研究工作，运用新近开发的生物柴油物性预测模型，对SME的临界性质、密度、黏度、表面张力、蒸气压、蒸发焓、导热系数、蒸气扩散系数和蒸气比热容等与喷雾模拟相关的物性进行了系统预测[12]，具体模型如表1所示，在已开发的模型中已证实其模型预测生物柴油热物性的精度优于其他模型[7,14-19]，并且已通过与试验数据对比证明所选热物性预测模型可以满足喷雾数值模拟要求[11]．图1为SME和柴油主要物性随温度的变化关系，可见，除蒸气压、扩散系数和蒸气比热容外，SME的其他物性整体上大于传统柴油的物性．将以上预测得到的SME 燃油物性数据添加到KIV A-3V燃料库中，以进行生物柴油喷雾模拟研究．
表1生物柴油物性预测方法
Tab.1Prediction methods for properties of biodiesels
生物柴油物性预测模型
临界性质 Wilson-Jasperson模型[14]
密度 Rackett-Revised模型[7]
液体黏度 Revised
Yuan模型[15]
表面张力 Macleod-Sugden模型[16]
蒸气压 Ceriani基团贡献法[17]
蒸发焓 Ceriani基团贡献法[17]
液体导热系数 Gharagheizi模型[18]
蒸气扩散系数 Wilke-Lee模型[14]
蒸气比热容 Osmont量子化学模型[19]
1.2喷雾模拟
采用KIV A-3V软件进行生物柴油喷雾三维数值
模拟研究，气相湍流模型采用RNG k- 模型．喷雾液
滴模型为离散液滴模型(DDM)，即通过欧拉方法模
拟气相，通过拉格朗日方法模拟具有相同性质的液滴
组成的液滴群．液滴破碎过程采用KH-RT模型模
拟，液滴碰撞模型采用Nordin提出的模型[11]．
通过三维数值模拟计算，研究了SME在定容弹
无氧环境(0%O2，89.7%N2，6.5%CO2，3.8%H2O)下
的喷雾特性[12]．计算工况为柴油机后喷，具体计算工
况及喷油器参数[12]如表2所示．研究表明：喷油压力
对燃油液相贯穿距的影响很小[20-21]，采用的喷油压力
与文献[12]中试验喷油压力一致，恒定为150MPa.
喷油持续期定义为从喷油器实际开始喷油到结束喷
油的时间．柴油和SME燃油温度为373K时的喷油
速率见文献[12]，SME燃油温度为323、423、473和
523K时的喷油速率由ECN(engine combustion network)
成员CMT(CMT-Motores Térmicos)实验室开发的喷
油速率预测模型生成[11]．
表2计算工况及喷油器参数
Tab.2Computation conditions and parameters of the
injector
参数数值
环境密度/(kg·m-3) 1.2，2.0，3.0
环境温度/K 800，1 000，1 200，1 400
柴油燃油温度/K 373 SME燃油温度/K 323*，373，423*，473*，523*
喷孔直径/mm 0.108 SME/柴油喷油器流量系数 0.93/0.92
喷油压力/MPa 150 喷油持续期/ms 3 注：*为拓展工况．
·234·内 燃 机 学 报第33卷 第3期
a）密度b）黏度c）表面张力
d）蒸气压e）蒸发焓f）导热系数
g）扩散系数h）比热容
图1大豆生物柴油(SME)和柴油的物性对比
Fig.1Comparison of properties of soy methyl ester biodiesel(SME)and diesel 图2所示计算区域为直径30mm、高190mm的
圆柱体，计算网格为六面体网格，单孔喷嘴位于顶面
中心处．根据网格敏感性分析工作[11]，网格尺度选为
1mm．
图2计算网格示意
Fig.2 Computational grid
图3示出环境温度为1000K、不同环境密度及
燃油温度为373K时，柴油和SME的瞬时液相贯穿
距模拟与试验结果[12]的对比．其他环境温度下模拟
与试验结果的对比验证见文献[11]，模拟与试验结果
a）柴油
b）SME
图3柴油和SME瞬时液相贯穿距模拟值与试验值的对比
Fig.3Comparison of the simulated and experimental
transient liquid penetrations of diesel and SME
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吻合较好，相同工况下，SME 的液相贯穿距明显长于柴油，说明预测得到的SME 物性可准确反映燃油物性对喷雾特性的影响，所用喷雾模型可靠．
2 结果与分析
2.1 燃油温度对喷雾形态的影响
图4示出环境密度为 1.2kg/m 3、环境温度为1000K 及喷油时刻为347μs 时，不同温度燃油的喷雾形态，图像中部为液相燃油，四周为气相燃油．随着燃油温度的增加，生物柴油的密度、黏度和表面张力减小，蒸气压增大，燃油雾化程度和液滴破碎加强，同时高温环境促进液滴蒸发．因此，提高燃油温度，促进了SME 雾化蒸发，且液相燃油开始蒸发的位置逐渐向喷油器出口靠近． 此外，由图4可知，燃油温度为473K 的SME 的喷雾形态与373K 的柴油比较接近．燃油温度为523K 的SME 喷雾形态与373K 的柴油相比明显不同，其开始蒸发的位置距离喷油器出口更近，燃油蒸发量更大，说明523K 的SME 的雾化程度优于373K 的柴油．
a ）SME
b ）柴油
图4 不同温度燃油的喷雾形态
Fig.4 Spray images at different fuel temperatures
2.2 燃油温度对液相贯穿距的影响
瞬时液相贯穿距定义为99.9%的液体燃油沿喷射方向所达到的最大轴向距离．图5示出环境密度为1.2kg/m 3、环境温度为1000K 时，不同温度燃油的瞬时液相贯穿距．随着燃油温度的增加，SME 喷雾达到稳定的时刻明显提前，瞬时液相贯穿距明显减小；SME 瞬时液相贯穿距达到稳定后的平均值(准稳态液相贯穿距)由燃油温度为323K 时的125.7mm 减小到523K 时的86.2mm ．同时，燃油温度由323K 增加到523K 的过程中，燃油温度每升高50K ，SME 准稳态液相贯穿距的减少幅度由约12.4mm 减小到约9.3mm ；燃油温度为473K 的SME 的瞬时液相贯穿距与373K 的柴油非常接近．
图5 不同温度燃油的瞬时液相贯穿距
Fig.5Transient liquid penetrations at different fuel tem -peratures
图6为不同温度燃油在不同环境密度和温度下的准稳态液相贯穿距．随着环境密度的增加，燃油的准稳态液相贯穿距明显减小．在相同环境密度和温度下，随着燃油温度的增加，SME 的准稳态液相贯穿距明显减小．在较大环境密度和较高环境温度下，环境压力增大，准稳态液相贯穿距随燃油温度增加而减
a ）环境密度为1.2kg/m 3
b ）环境密度为2.0kg/m 3
c ）环境密度为3.0kg/m 3
图6 不同温度燃油准稳态时的液相贯穿距
Fig.6Quasi -steady liquid lengths at different fuel tem -peratures
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少的绝对值减小．相同条件下，SME燃油温度每升高
50K，准稳态液相贯穿距减少的幅度最大约为
16.4mm，最小约为2.9mm．整体上，SME的燃油温
度每增加50K，液相贯穿距降低约10%．液相贯穿
距减小的原因：随着燃油温度的增加，生物柴油的密
度、黏度和表面张力减小，蒸气压增大，液滴更易破
碎蒸发，寿命减少；同时燃油雾化程度增加使气相阻
力变大，液滴速度衰减加快．
当SME燃油温度为473K时，其准稳态液相贯
穿距与相同工况下373K的柴油最接近．当SME燃
油温度为523K时，其准稳态液相贯穿距明显小于相
同工况下373K的柴油．在柴油机后喷工况下，提高
燃油温度，可在一定程度上减小液相贯穿距，从而有
利于避免湿壁现象的发生．
2.3燃油温度对气相质量分数分布的影响
图7a示出环境密度为1.2kg/m3、环境温度为
1000K及喷油时刻为347μs时，不同温度的燃油在
距喷油器出口40mm处，径向燃油气相质量分数分
布．随着燃油温度的增加，燃油液滴破碎加快，蒸发
加剧，导致SME径向燃油气相质量分数和分布范围
都明显变大，中心位置处燃油温度为523K时的径向
最大燃油气相质量分数约为323K时的2倍．燃油
a）径向上
b）轴向上
图7不同温度燃油在径向和轴向上的燃油气相质量分
数分布
Fig.7Radial and axial profiles of fuel mass fraction at
different fuel temperatures
温度较低时，轴向中心处的液滴蒸发困难，导致径向
燃油气相质量分数分布曲线中心趋于平缓，其中以燃
油温度为323K时的分布曲线最为明显．
图7b与图7a条件相同，是不同温度的燃油轴向
燃油气相质量分数分布．随着燃油温度的增加，轴向
SME的燃油气相质量分数明显增大，燃油温度为
523K时的燃油气相质量分数整体约为323K时的2
倍．同时，燃油气相开始出现的位置向喷油器出口逐
渐接近，温度为523K时燃油气相开始出现的位置比
323K时的位置距离喷油器出口近约10mm．总之，
提高燃油温度将减小液相贯穿距，燃油气相轴向的分
布长度也随之变短．
由图7可知，燃油温度为473K的SME的燃油气
相质量分数分布与373K的柴油最接近，燃油温度为
523K的SME的燃油气相质量分数明显高于373K的
柴油．在柴油机后喷工况下，燃油蒸气质量分数的增
加促进燃油与空气的混合，有利于减少排放．
2.4燃油温度对索特平均直径的影响
图8示出环境密度为 1.2kg/m3、环境温度为
1000K时，不同温度燃油喷雾的SMD随喷油时间的
变化．随着燃油温度的增加，SME的SMD整体上增
大，当燃油温度从323K增加到523K时，SME的
SMD增大了6μm左右．这与Park等[3]研究的规律
一致，由于燃油温度增加，燃油的雾化程度改善，相
对较小的液滴更容易蒸发，使得较高燃油温度的小液
滴数量整体减少，导致SMD增大．
与液相贯穿距和燃油气相质量分数分布的结果
类似，燃油温度为473K SME的SMD与373K的柴
油最为接近，而燃油温度为523K的SME的SMD
大于373K的柴油．
图8不同温度燃油的SMD随喷油时间的变化
Fig.8Transient variation of SMD at different fuel tem-
peratures
3结 论
(1) 随着燃油温度的增加，SME的液相贯穿距
明显减小，并且燃油温度每增加50K，其液相贯穿距
降低约10%．
2015年5月宋晓超等：燃油温度对生物柴油喷雾特性影响的模拟 ·237·
(2) 随着燃油温度的增加，SME燃油气相质量分数明显增大，燃油温度为523K时的气相质量分数约为323K时的2倍；同时燃油气相开始出现的位置距喷油器出口的距离明显减小，SME燃油温度为523K时燃油气相开始出现的位置比323K时的位置距离喷油器出口近约10mm，SME的小液滴数量也随之减少，导致SMD增加，燃油温度为523K时的SMD比323K时的大6μm左右．
(3) 当SME的燃油温度达到473K时，其喷雾特性，包括喷雾形态、液相贯穿距、燃油气相质量分数分布和SMD，都与373K时的柴油的喷雾特性极为接近，而当SME的燃油温度达到523K时，其雾化程度明显优于373K的柴油．
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