环境气体成分对高压湍流环境中丁醇液滴蒸发特性的影响研究

《Fuel》：Effect of ambient gas composition on butanol droplet vaporization in turbulent High-pressure environments

　　本研究针对压缩点火发动机(CIE)中燃料液滴蒸发过程受环境条件影响的关键问题，系统探究了高压湍流环境下不同气体成分(N2、O2、CO2及其混合物)对丁醇液滴蒸发特性的影响。通过自主研发的球形燃烧室实验平台，发现CO2环境使蒸发率降低26%，而湍流强度增至3.0 m/s可使该差异减半。研究为废气再循环(EGR)等发动机优化技术提供了重要实验依据，成果发表于《Fuel》。

　　

在追求更清洁高效能源的时代，压缩点火发动机(CIE)因其卓越的燃油经济性仍是交通运输领域的主力军。然而，传统柴油燃料的广泛使用不仅加速化石资源枯竭，更导致二氧化碳(CO₂)排放激增和全球变暖问题。为应对这一挑战，生物乙醇等替代燃料应运而生，其中丁醇因其更长碳链、更高辛烷值和与柴油良好互溶性，展现出比甲醇、乙醇更适用于CIE的潜力。

但发动机性能优化面临一个核心科学问题：燃料液滴在气缸内的蒸发过程如何受复杂环境条件影响？特别是在采用废气再循环(EGR)和氧气富集等技术时，燃烧室内气体成分会从纯氮气(N₂)变为包含CO₂、氧气(O₂)等的混合气体，同时存在高压湍流环境。现有研究多局限于数值模拟或简单氮气环境，缺乏系统实验数据，更鲜有关注丁醇这种高碳醇在不同气体成分中的蒸发行为。

为解开这一谜题，曼尼托巴大学研究团队在《Fuel》期刊发表创新性实验研究，通过精心设计的球形燃烧室实验平台，首次系统揭示了环境压力(1-10 bar)、湍流强度(0-3.0 m/s)和气体成分(纯气体及二元混合物)对丁醇液滴蒸发特性的耦合影响。

关键技术方法包括：1) 采用29L不锈钢球形燃烧室，通过四对轴向风扇生成各向同性湍流场(粒子图像测速技术PIV验证)；2) 高高速成像系统(FASTEC IL5Q)结合长焦显微镜(Questar QM-100)记录500μm丁醇液滴蒸发过程；3) 交叉纤维悬挂技术确保液滴稳定性和球形度；4) 精密控制温度(300±1K)和压力条件(±1%)。

3.1 湍流特性表征

PIV测量证实实验装置能生成高度各向同性(各向异性度<10%)、均匀的湍流场(脉动<5%)。积分长度尺度约25.8mm，柯尔莫哥洛夫尺度随气体成分变化，在CO₂中更小(37.6μm vs N₂中60.4μm)，表明更强烈的局部剪切作用。

3.2 环境成分影响

研究首次发现丁醇液滴蒸发遵循经典d²-律(直径平方线性减小)。在纯气体环境中，蒸发率K在CO₂中最低(比N₂低26%)，O₂中略低，这归因于CO₂的高比热容(37.25 J/mol·K)、低热导率(0.01724 W/m·K)和低粘度(158.7μpoise)特性。二元混合物中蒸发率介于纯气体之间，且更接近重组分特性。

3.3 相关性分析

湍流效应随压力增大而增强，在较重环境气体(如CO₂)中更为显著。建立的达姆科勒数(Da_v)和湍流雷诺数-施密特数(Re_t,d0-Sc)关联式能准确预测所有条件下的蒸发行为，为工程模型提供可靠工具。

研究结论表明，环境气体成分对丁醇液滴蒸发的影响在静止低压条件下最为显著，而湍流和高压环境会通过增强对流换热削弱分子扩散的主导作用。这一发现对理解EGR技术中CO₂引入对燃烧过程的影响具有直接指导意义。建立的半经验关联式为发动机燃烧模拟提供了重要输入参数，填补了高碳醇燃料在复杂环境条件下蒸发特性研究的空白。

该研究的创新性在于首次实验量化了湍流-压力-气体成分三因素对丁醇液滴蒸发的耦合影响，揭示了物理机制：较重气体成分通过改变热物理属性(热容、导热系数)和流动特性(柯尔莫哥洛夫尺度)双重途径影响蒸发过程。未来结合高温条件和其他排气成分(如水蒸气)的研究，将进一步完善燃烧基础理论，推动清洁发动机技术发展。