一种多孔介质模型结构中燃油液滴蒸发过程的研究方法与流程

本发明涉及多孔介质堆积床及多孔介质发动机中柴油蒸发过程的预测与优化，具体是一种利用Fluent软件对多孔介质模型结构中液滴蒸发过程进行模拟预测并优化的方法。

背景技术：

燃料的燃烧是人类获取能源的主要途径，当今世界80％以上的能源都来自于化石燃料的燃烧。如何减少燃烧排放和提高燃烧效率已成为当前燃烧领域的两大热点课题，为此国内外学者提出了各种新型的燃烧技术。近二十年来，多孔介质过滤燃烧技术[Mujeebu MA，Abdullah MZ，Abu Bakar MZ，et al，Journal of Environmental Managemen，2009，90:2287-2312]以其超绝热、低污染等突出特点引起学术界的广泛关注，有可能成为近期、甚至相当长时间内解决燃料燃烧污染和化石能源枯竭问题的一项重要技术，为开发和设计新型高效清洁燃烧系统提供了一种新途径。

多孔介质过滤燃烧技术可以成功地燃烧煤油、柴油等液体燃料，其中起关键作用的是燃料的蒸发过程。由于多孔介质内结构复杂、有很大的内表面积，能够促进喷射到多孔介质的液体破碎，有利于燃油在空间内均匀分布并实现二次雾化(M.Weclas，J.Cypris，T.M.A.Maksoud，Diesel spray interaction with highly porous structures for supporting of liquid distribution in space and its vaporization，Proceedings(CD)of the 4th International Conference on Porous Media and its Applications in Science and Engineering ICPM4June 17-22，2012，Potsdam，Germany)。当多孔介质内的燃油蒸发与其内部特殊的燃烧方式相结合后，将会大大提高液体燃料的燃烧稳定性、燃烧效率及可燃极限。这为改善液体燃料传统的喷射雾化与扩散燃烧方式，实现预蒸发燃烧提供了重要的方向。

近年来，采用多孔介质燃烧技术燃烧液体燃料作为一项新型燃烧技术受到人们的重视，已在多孔介质发动机、燃油锅炉、原油开采等方面得到了较为广泛的实际应用。在发动机领域将多孔介质引入到发动机缸内，可在三维多孔介质的复杂结构中实现液体预蒸发、热点火及均质燃烧，使发动机具有热效率高、排放低、贫燃极限广等特点(Navid Shahangian，Damon Honnery，Jamil Ghojel，The Role of Porous Media in Homogenization of High Pressure Diesel Fuel Spray Combustion，Journal of Energy Resources Technology，Copyright by ASME 2014，136，012202.)。利用多孔介质液体过滤燃烧技术实现航空煤油、庚烷等液体燃料的非催化重整制氢法，已受到国外学者的关注(Pastore A，Mastorakos E，Syngas production from liquid fuels in a non-catalytic porous burner，Fuel，90:64-76，2011)。

在工业生产的化工、制药等领域，利用多孔介质过滤燃烧的回热效应，能够在不需外加能量的情况下实现有毒废液的焚烧(Pastore A，Mastorakos E，Syngas production from liquid fuels in a non-catalytic porous burner，Fuel，90:64-76，2011)。近期，多孔介质出现在微尺度液体燃烧器上，用来解决微尺度燃烧(Junwei Li，Jinghuai Huang，Mi Yan，Dan Zhao，Experimental study of n-heptane/air combustion in meso-scale burners with porous media，，Experimental Thermal and Fluid Science，2014，52:47–58.)所面临的困难和挑战。

综上所述，多孔介质液体过滤燃烧，在经济建设和社会发展中有着广阔的应用前景。但目前人们对过滤燃烧的认识还远远不够深入和全面，特别是许多基础性的科学问题，有待深入研究和探明。

技术实现要素：

本发明为一种多孔介质模型结构中燃油液滴蒸发过程的研究方法，该研究 方法基于建模软件Gambit和计算流体动力学软件Fluent相结合，通过对燃油液滴(如柴油)的蒸发区域进行观测及优化，能够有效地研究燃油液滴在几何模型单元中的蒸发过程，设计出优化方案，在构建的多孔介质模型中可以观察燃油液滴的直径变化过程、温度变化过程和蒸发速率的变化等，为利用多孔介质过滤燃烧技术实现液体燃料的高效燃烧提供指导。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种多孔介质模型结构中燃油液滴蒸发过程的研究方法，该方法首先利用Gambit软件构建三种模型(不含有多孔介质模型和含有顺排、插排结构多孔介质模型)，并且画出相应网格，设定模型中的壁面属性以及流体区域和固体区域。然后将Gambit制作的三种模型的网格文件导入Fluent软件，利用Fluent软件对三种模型中的计算方法和燃油液滴的物性参数进行设定，然后分别进行计算，最后对比三种模型中燃油液滴的蒸发过程。具体步骤如下：

第一步，利用Gambit软件的参数化建模功能建立二维平壁几何模型、多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型；所述的二维平壁几何模型和多孔介质顺排几何模型为方形，尺寸为5mm-50mm；所述的多孔介质插排几何模型为矩形，所述的矩形尺寸宽为5.732mm-57.32mm，高度为9.305mm-93.05mm。所述的多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型的四个角均有一个扇形面，所述的扇形面为多孔介质高温壁面，由四分之一的氧化铝或碳化硅小球构成，所述的小球直径为4mm-40mm，所述高温壁面温度为800K-1000K。两个高温壁面之间的边界取为出口，所述的出口宽度为1mm-10mm。

将三种几何模型进行网格划分，并导出网格文件，作为流体计算软件Fluent软件的输入文件。

第二步，通过流体计算软件Fluent读取第一步得到的网格文件，检查网格， 若结果中有负体积网格，重新进行网格划分；若结果中没有负体积网格，则进行下一步。

第三步，进行Fluent中的模型设置

3.1)依次启动操作面板上的能量方程、粘性模型中的k-epsilon方程、辐射模型中的Discrete Ordinates方程，再依次激活燃油液滴材料种类模型中的具体选项，激活离散项模型中的离散相与连续相相互作用的选项和喷射选项；

3.2)设置Fluent中操作面板上喷射选项的具体参数：在二维平壁几何模型和多孔介质顺排几何模型中，将燃油液滴的喷射位置设定为一个边界的中点，所述的边界是指四个边界中的任意一个；在多孔介质插排几何模型中，将燃油液滴的喷射位置设定为矩形的一个顶点，所述的顶点是指四个顶点中的任意一个。再设定初始燃油液滴的直径、温度、喷射速度、喷射终止时间和质量流量，所述的直径值为5.0×10^-5m-5.0×10^-4m、温度为300K-341K、喷射速度为v_x＝10,v_y＝5.75m/s或v_x＝5.75,v_y＝5.75m/s、喷射终止时间为1.0×10^-6s、质量流量为5.0×10^-4kg/s。

3.3)在材料选项中设定燃油液滴的密度、比热容、沸点参数，并且添加新的固体材料氧化铝或碳化硅。

第四步，在几何模型中设置边界条件和计算方法

在几何模型中，设置二维平壁几何模型的氧化铝或碳化硅高温壁面，所述高温壁面温度为800K-1000K，出口均设置为压力出口，操作压力设为一个标准大气压，所述的标准大气压力为101325Pa。再依次设定计算方法，所述的计算方法采用SIMPLE方法；设定空间离散方法，所述的空间离散方法中梯度计算方法采用格林高斯算法，压力计算方法采用标准选项，动量、湍动能和湍动能耗散率和能量方程的计算方法均采用二阶迎风格式。

第五步，模型初始化和计算设置

将计算区域的参数进行初始化，并在多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型中，将氧化铝或碳化硅的高温壁面温度设置为800K—1000K；在Fluent的计算活动选项中设置自动保存dat文件，所述的自动保存dat文件是指Fluent每次完成10个时间步长的计算时，自动保存一个dat文件到储存位置；将时间步长设定为1.0×10^-6s-5.0×10^-5s；将步长数量设定为5000-50000，每个时间步长内的最大迭代次数设定为1000次，开始计算；

第六步，读取相应工况下Fluent的dat文件，利用Fluent中的Graphics选项得到平壁几何模型、多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型中燃油液滴的质量分数分布云图。

本发明中，Fluent软件能较好的描述燃油液滴的蒸发过程，对比三种几何模型，可知相同工况下含有多孔介质的几何模型是更有利于燃油液滴蒸发的。

本发明通过建立不含有多孔介质模型和含有顺排、插排结构多孔介质几何模型，提供了一种燃油液滴在多孔介质中蒸发过程的微观机理和物性变化的研究方法。此方法可以研究分析燃油液滴质量分数的分布规律，对进一步提高燃油燃烧效率，减少污染物排放和研究开发多孔介质新模型具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是二维平壁几何模型的网格示意图；

图3是多孔介质顺排几何模型的网格示意图；

图4是多孔介质插排几何模型的网格示意图；

图5是二维平壁几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图；

图6是多孔介质顺排几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图；

图7是多孔介质插排几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图。

具体实施方式

为了是本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

一种多孔介质几何模型结构中柴油液滴蒸发过程的研究方法，利用Fluent软件对三种几何模型中计算方法和柴油液滴的物性参数进行设定，然后分别进行计算，最后对比三种几何模型中柴油液滴的蒸发过程。本发明的流程图如图1，所示，具体步骤如下：

第一步，利用Gambit软件的参数化建模功能建立二维平壁几何模型、多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型；所述的二维平壁几何模型和多孔介质顺排几何模型为方形，尺寸为5mm；所述的多孔介质插排几何模型为矩形，所述的矩形尺寸宽为5.732mm，高度为9.305mm。所述的多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型的四个角均有一个扇形面，所述的扇形面为多孔介质高温壁面，由四分之一的氧化铝或碳化硅小球构成，所述的小球直径为4mm。两个高温壁面之间的边界取为出口，所述的出口宽度为1mm。

二维平壁几何模型的网格示意图如图2所示，多孔介质顺排几何模型的网格示意图如图3所示，多孔介质插排几何模型的网格示意图如图4所示。将三种几何模型进行网格划分，并导出网格文件，作为流体计算软件Fluent软件的输入文件。

第二步，通过流体计算软件Fluent读取第一步得到的网格文件，检查网格，若结果中有负体积网格，重新进行网格划分；若结果中没有负体积网格，则进行下一步。

第三步，进行Fluent中的模型设置

3.1)依次启动操作面板上的能量方程、粘性模型中的k-epsilon方程、辐射模型中的Discrete Ordinates方程，再依次激活液体材料种类模型中的具体选项，激活离散项模型中的离散相与连续相相互作用的选项和喷射选项；

3.2)设置Fluent中操作面板上喷射选项的具体参数：在二维平壁几何模型和多孔介质顺排几何模型中，将燃油液滴的喷射位置设定为一个边界的中点，所述的边界是指四个边界中的任意一个；在多孔介质插排几何模型中，将燃油液滴的喷射位置设定为矩形的一个顶点，所述的顶点是指四个顶点中的任意一个。再设定初始燃油液滴的直径、温度、喷射速度、喷射终止时间和质量流量，所述的直径值为5.0×10^-5m-5.0×10^-4m、温度为300K-341K、喷射速度为v_x＝10,v_y＝5.75m/s或v_x＝5.75,v_y＝5.75m/s、喷射终止时间为1.0×10^-6s、质量流量为5.0×10^-4kg/s。

3.3)在材料选项中设定燃油液滴的密度、比热容、沸点参数，并且添加新的固体材料氧化铝或碳化硅。

第四步，在几何模型中设置边界条件和计算方法

在几何模型中，设置二维平壁几何模型的氧化铝或碳化硅高温壁面，所述高温壁面温度为800K，出口均设置为压力出口，操作压力设为一个标准大气压，所述的标准大气压力为101325Pa。再依次设定计算方法，所述的计算方法采用SIMPLE方法；设定空间离散方法，所述的空间离散方法中梯度计算方法采用格林高斯算法，压力计算方法采用标准选项，动量、湍动能和湍动能耗散率和能量方程的计算方法均采用二阶迎风格式。

第五步，模型初始化和计算设置

将计算区域的参数进行初始化，并在多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型中，将氧化铝或碳化硅的高温壁面温度设置为800K或1000K；在 Fluent的计算活动选项中设置自动保存dat文件，所述的自动保存dat文件是指Fluent每次完成10个时间步长的计算时，自动保存一个dat文件到储存位置；将时间步长设定为1.0×10^-5s；将步长数量设定为10000，每个时间步长内的最大迭代次数设定为1000次，开始计算。

第六步，将第一步中叙述的三种几何模型，设定不同的参数得到六种工况进行计算对比，所述的六种工况包括平壁几何模型，平壁几何模型的氧化铝或碳化硅高温壁面为800K，柴油液滴入射角为30°；包括多孔介质顺排几何模型，其氧化铝或碳化硅高温壁面温度为800K或1000K，柴油液滴入射角度为30°或45°；包括多孔介质插排几何模型，其氧化铝或碳化硅高温壁面温度1000K，柴油液滴入射角度为30°。

第七步，通过Fluent分别读取三种几何模型不同工况对应dat文件，利用Fluent中的Graphics选项得到平壁几何模型、多孔介质顺排几何模型和多孔介质插排几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图。用Fluent分别读取三种几何模型在相同工况下的柴油液滴达到饱和温度时刻的dat文件，所述的工况是三种几何模型中氧化铝或碳化硅高温壁面为800K，柴油液滴入射角为30°，利用Fluent中Graphics选项得到平壁几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图如图5所示、多孔介质顺排几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图如图6所示和多孔介质插排几何模型中柴油液滴的质量分数分布云图如图7所示。