基于棒状分子模型的生物柴油压缩特性与机理研究

【摘要】燃油的压缩特性由本身的化学结构和外部作用条件共同决定。生物柴油作为可再生清洁能源,其与石化柴油的物理特性差异是造成雾化不良的根本原因。随着喷射系统工作压力的提高,生物柴油动态压缩特性作为喷射能量的关键传递物性,对喷射过程流动和雾化效果的影响加剧。生物柴油动态温度和压力条件下压缩特性的形成机理,是实现燃油喷射过程准确数值计算、把握燃油动态流动特性的关键,对控制生物柴油喷射过程和优化雾化效果具有重要意义。目前关于喷射过程的流体动力学数值计算研究中,燃油的压缩特性却未被充分考虑。本文以喷射过程的生物柴油动态压缩特性为研究目标,通过发动机实验,获取喷油器压力室内喷射燃油的温度动态变化规律,构建饱和脂肪酸酯棒状分子模型,推导出分子体积和分子能量的计算公式,以及分子运动方程和动量方程,实现了生物柴油喷射过程动态体积粘度的数值计算。并运用数值模拟的方法,探明动态温度压力条件下,体积粘度对喷射流动的作用机理,提出了调整供油管路温度改善雾化效果的理论方法。研究的主要结论如下：(1)利用开发的表面热电偶温度传感器和搭建的实验检测系统,进行喷油器压力室温度检测,探明了喷射过程喷油器压力室温度变化规律。喷油器压力室温度变化曲线由线性下降部分和正弦波部分叠加构成,线性部分斜率在1.8×104K/s～3×104K/s之间,正弦波的振幅在1.5-2.5K之间,频率在8.3-12.5kHz之间。实验数据分析表明,喷射过程压力为平面阻尼波形式,阻尼波振幅为平均压力的2.5%-10%,频率在5-50kHz之间。(2)针对碳原子数为10～25的生物柴油分子的化学结构,构建饱和脂肪酸酯的粗粒化棒状分子模型,具有硬质内核和软性外壳。依据该模型推导分子体积和分子能量表达式,并通过设计体积调节参数a(p,T)和体积能量协调参数m(p,T),实现分子内自由体积与有效作用体积间的体积和能量转换计算。基于运动合成原理,构建棒状分子模型的分子运动方程和动量方程,推导平衡态、局域平衡态和非平衡状态体积压缩系数的计算表达式。(3)研究发现分子压缩系数(Wada常数)具有温度压力的依赖性,在燃油工作范围内,获取了其温度压力拟合表达式。依据静态压缩实验数据,确定了实验范围内体积调节参数a(p,T)和体积能量协调参数m(p,T)的具体数值,并给出拟合表达式。通过棒状分子模型、分子压缩系数模型、ESD状态方程与实验数据的计算比较,棒状模型与实验计算获得癸酸甲酯和癸酸乙酯的摩尔体积,全局平均相对误差分别为1.1%和1.3%,计算结果表明,棒状分子模型静态体积特性计算具有更高的准确性,并可推广到同类有机分子的模型构建。(4)依据实验确定的喷油器压力室温度和压力表达式,运行棒状分子模型,构建的体积粘度理论计算方法,实现了非平衡态传递特性的获取；对癸酸甲酯和癸酸乙酯动态体积粘度进行计算与声吸收实验数据计算的体积粘度比较,全局平均相对误差分别为4.5%和3.6%,表明棒状分子模型用于生物柴油单一组分的体积粘度计算有较高的准确性,用于替代Stockes零体积粘度假设,可完善流体动力学的基本方程。(5)Navior-Stokes方程与流体物性相关假设的分析表明,Navior-Stokes方程适用于喷射过程的流体动力学计算。并将棒状分子模型计算的生物柴油动态体积粘度,以及获得喷射过程喷油器压力室温度和压力变化规律,引入Navior-Stokes方程,通过数值模拟的方法,进行了动态压缩特性对高压孔内流动的作用机理研究,为喷射过程的精确控制,提供了理论依据。模拟计算结果表明,提高喷油管路壁面温度,可降低喷孔前后的压差,提高喷孔燃油温度,利于生物柴油雾化效果的改善。
【作者】石复习；
【导师】张勤；陈军；
【作者基本信息】西北农林科技大学，农业机械化工程，2014，博士
【关键词】生物柴油；喷射温度；棒状分子模型；压缩特性；体积粘度；

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