基于OpenFoam的船用低速燃油机蒸发性能优化研究*

高 吉 王筱蓉 戴明露

（江苏科技大学 镇江 212114）

1 引言

燃油的蒸发性能是衡量燃油利用效率的重要指标，对船用低速燃油机内部油气混合速率、燃烧的稳定性以及充分燃烧程度也有非常大的影响。近年来，纳米粒子作为新型燃油添加剂改善燃油性能引起了广泛的研究［1～2］，为了更广泛地应用于发动机、燃油机等动力装置，对纳米流体燃料蒸发性能更加深入的研究是有必要的。

许多蒸发实验研究论证了纳米燃油能有效提高燃油的燃烧效率，减少污染物的排放［3］。例如Sadia Akram［4］等用氧化铈和氧化铈纳米复合氧化物作为生物柴油的添加剂，证明了纳米粒子能减少氮氧化物，还可以减少未燃烧碳氢化合物和一氧化碳的排放。邬齐敏［5］等将微量的二氧化铈纳米粒子加入柴油中进行燃烧实验，实验证明，添加微量的纳米氧化铈显著提高了燃油的热效率，减少了碳氢化合物以及烟度的排放。Prabhu Appavu等［6］利用柴油发动机进行混合燃油与纯柴油燃烧特性的对比实验，实验结果也证明了掺混纳米氧化铈粒子的混合柴油比纯柴油的点火延迟更短，制动热效率也有小幅度的提高。微量纳米氧化铈的添加减少了氮氧化物和一氧化碳的排放，随着添加量增大效果越明显［7］。Mortaza Aghbashlo等［8］指出，氧化铈在缺氧条件下提供晶格氧来燃烧的残留的碳氢化合物，而碳纳米管通过热传导的强化作用得到更高的发动机热效率［9］。M.Ghanbari等［10］指出碳纳米管可以提高制动功率并且加大扭矩，从而达到制动比油耗下降的效果。Anand［11］等在生物柴油中掺混同等比例的纳米氧化铝粒子和碳纳米管，实验结果表明，相比于纯生物柴油的制动比油耗和制动热效率，混合纳米粒子的燃油在这两项参数上改善的很明显。V.Dhana Rajua［12］等在一种全新配比的混合燃油中加入纳米氧化铝，实验证明，加入纳米物质的混合燃油有更高的制动热效率，极大程度地减少了一氧化碳和碳氢化合物的排放。张小矛［13］使用CFD方法评估燃油蒸发对汽油机爆震的影响，而通过OpenFoam仿真分析纳米燃油蒸发时内部升温情况的研究不多。本研究建立了以一维液滴蒸发模型为基础的平衡方程，用VOF法构建了内含纳米物质导热源项的液滴蒸发数值模型。结合液滴蒸发试验，研究模拟了纳米物质增强液滴内部热传导能力的过程。

2 液滴蒸发模型控制方程

为了保证蒸发过程中燃油单液滴蒸发模型的计算精度，需提出以下几点简化假设：1）忽略环境因素对液滴蒸发过程的影响；2）液滴蒸发平稳即时间步长均处于平衡状态；3）在只添加重力条件的工况下进行蒸发，忽略外界气流对液滴形状产生的影响；4）液滴蒸发只考虑液相到气相的转变过程，气相渗入液相的部分忽略不计。

根据以上假设，在气液两相转变界面处建立了控制方程，如式（1）所示：

式（1）中，a表示物质状态的单独标量；U表示速度；F表示扩散通量。

基于OpenForm建立液滴蒸发模型，需要对其他控制方程进行了专用优化，模拟不同温度梯度的多相流动，纳米物质的导热源项和优化的控制方程如式（2）所示：

纳米物质的导热源项计算：

式（2）中knano表示纳米物质的导热系数；Tamb表示温度；Tcelli表示具体网格的温度；Snano表示单位纳米物质的表面积；rcelli表示网格到原点之间的距离；rinitial表示液滴初始半径。

修正后的气液两相体积运输方程：

式（3）中∇·Ucalag表示人工压缩项，在 OpenFoam中加入此项能让界面平滑过渡；al表示液相，ag表示气相，Ul表示液相速度矢量。

加入表面张力和重力计算的动量守恒方程：

式（4）中ρ表示混合项密度；F表示表面张力源项；表示动量源项。

主要考虑液相的能量守恒方程：

式（5）中定压比热容cp表示定压比热容；表示燃油液滴中所含有导热源项（J/m3/s）；λ表示混合项导热系数（J/m3/s）；ek表示比动能。

3 液滴蒸发模型验证与计算方法

3.1 液滴蒸发模型网格划分

该模型的区域划分考虑到液滴受重力影响，重心位于交叉石英丝下方。根据液滴形状再进行轴对称简化，取液滴右下四分之一的部分作为计算区域，而石英丝的交叉区域也可以近似成圆形，网格最终的划分情况如图1所示。

图1 液滴网格划分示意图

3.2 模型实施条件的确定及求解方法

1）对比OpenFoam中的可用求解器compressibleInterFoam和interPhaseChangeFoam，可以发现interFoam求解器更加贴近已有的守恒方程及控制方程。

2）为了满足求解器在广泛性以及准确性上的要求，选择了Euler implicit和Gauss linear为主的数值离散格式。

3）基于OpenFoam开源库对单液滴蒸发模型进行编译求解。

3.3 单液滴蒸发模型验证

图2为不同类型燃油单液滴的蒸发实验归一化曲线与模拟曲线对比图。图（a）中液相在蒸发末期转变为气相时，计算网格内气液浓度变化剧烈，模拟曲线在蒸发后期出现了多次波动，模拟曲线与实验曲线的整体误差在3%以内。图（b）中液滴在蒸发中期发生膨胀，后期曲线无剧烈波动，与实验曲线的误差在5%以内。对比两种燃油的曲线验证结果可见，此模型用于模拟实际燃油蒸发实验结果是可行的。

图2 单液滴蒸发实验归一化曲线与模拟曲线对比图

4 计算结果分析

4.1 不同周向角下温度对比

图3为两种燃油液滴在不同时刻不同周向角下的温度分布。当两种燃油液滴的周向角θ均为45°时，对比图（a）和图（b）可知同一时刻的纳米燃油液滴升温速率明显高于普通燃油液滴，对比图（a）和图（c）可知普通燃油液滴蒸发时刻靠后的液滴温度随液滴半径增长的幅度更大，而对比图（b）和图（d）可知纳米燃油液滴不同蒸发时刻的蒸发趋势类似，说明了纳米物质不仅增强了液滴内部传热，加快了液滴整体的升温进程，而且促进了液滴的平稳蒸发。

图3 不同周向角下温度分布

4.2 纳米添加物对液滴内部速度影响

图4为两种燃油液滴在不同蒸发时刻的速度流线分布图。对比图（a）和图（b）可见，在液滴蒸发初期，纳米燃油液滴在气液两相转变界面处的速度值高于普通燃油液滴，说明纳米物质提高了气液两相转变界面处的温度，增强了液滴内部的传热能力。在液滴蒸发中期，普通燃油液滴在气液两相转变界面处出现了较大速度梯度，而纳米燃油液滴的气液两相转变界面相比于前一时刻更靠近圆心，蒸发的组分逐渐增加，速度流线也更加密集，外部气相流线也产生了明显波动。由此可见，纳米物质加快了气液两相转变界面处近场的热交换速度。

图4 速度流线分布图

图5为873K下不同浓度的纳米燃油液滴蒸发半径分布图。图（a）显示了液滴半径逐渐增大时，燃油中纳米物质的浓度越高，液滴升温的幅度越大。由图（b）显示了气液两相转变界面蒸发项的波动引起了温度曲线的波动，纳米添加物的浓度越高，温度曲线波动越剧烈。

图5 纳米燃油液滴蒸发半径分布图

5 结语

1）纳米燃油的蒸发平稳性和液滴内部温度提升速率都优于普通燃油，此外，流场中只有周向角θ为45°时能够提供完整工况下的温度曲线，其余周向角下的工况更加复杂。

2）在纳米燃油中，纳米物质能够显著加快气液两相转变界面近场处的热交换速度，消除了原燃油的局部热点，使得液滴整体受热均匀，有效促进了蒸发进程。

3）在前中期的蒸发过程中，相同液滴半径条件下，纳米燃油液滴中的纳米添加物浓度越高，液滴内部升温越迅速。