本發(fā)明涉及多孔介質(zhì)堆積床及多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)中柴油蒸發(fā)過程的預(yù)測與優(yōu)化，具體是一種利用Fluent軟件對多孔介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行模擬預(yù)測并優(yōu)化的方法。

背景技術(shù)：

燃料的燃燒是人類獲取能源的主要途徑，當(dāng)今世界80％以上的能源都來自于化石燃料的燃燒。如何減少燃燒排放和提高燃燒效率已成為當(dāng)前燃燒領(lǐng)域的兩大熱點課題，為此國內(nèi)外學(xué)者提出了各種新型的燃燒技術(shù)。近二十年來，多孔介質(zhì)過濾燃燒技術(shù)[Mujeebu MA，Abdullah MZ，Abu Bakar MZ，et al，Journal of Environmental Managemen，2009，90:2287-2312]以其超絕熱、低污染等突出特點引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，有可能成為近期、甚至相當(dāng)長時間內(nèi)解決燃料燃燒污染和化石能源枯竭問題的一項重要技術(shù)，為開發(fā)和設(shè)計新型高效清潔燃燒系統(tǒng)提供了一種新途徑。

多孔介質(zhì)過濾燃燒技術(shù)可以成功地燃燒煤油、柴油等液體燃料，其中起關(guān)鍵作用的是燃料的蒸發(fā)過程。由于多孔介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有很大的內(nèi)表面積，能夠促進(jìn)噴射到多孔介質(zhì)的液體破碎，有利于燃油在空間內(nèi)均勻分布并實現(xiàn)二次霧化(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)。當(dāng)多孔介質(zhì)內(nèi)的燃油蒸發(fā)與其內(nèi)部特殊的燃燒方式相結(jié)合后，將會大大提高液體燃料的燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率及可燃極限。這為改善液體燃料傳統(tǒng)的噴射霧化與擴(kuò)散燃燒方式，實現(xiàn)預(yù)蒸發(fā)燃燒提供了重要的方向。

近年來，采用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)燃燒液體燃料作為一項新型燃燒技術(shù)受到人們的重視，已在多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)、燃油鍋爐、原油開采等方面得到了較為廣泛的實際應(yīng)用。在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?qū)⒍嗫捉橘|(zhì)引入到發(fā)動機(jī)缸內(nèi)，可在三維多孔介質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)液體預(yù)蒸發(fā)、熱點火及均質(zhì)燃燒，使發(fā)動機(jī)具有熱效率高、排放低、貧燃極限廣等特點(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.)。利用多孔介質(zhì)液體過濾燃燒技術(shù)實現(xiàn)航空煤油、庚烷等液體燃料的非催化重整制氫法，已受到國外學(xué)者的關(guān)注(Pastore A，Mastorakos E，Syngas production from liquid fuels in a non-catalytic porous burner，F(xiàn)uel，90:64-76，2011)。

在工業(yè)生產(chǎn)的化工、制藥等領(lǐng)域，利用多孔介質(zhì)過濾燃燒的回?zé)嵝?yīng)，能夠在不需外加能量的情況下實現(xiàn)有毒廢液的焚燒(Pastore A，Mastorakos E，Syngas production from liquid fuels in a non-catalytic porous burner，F(xiàn)uel，90:64-76，2011)。近期，多孔介質(zhì)出現(xiàn)在微尺度液體燃燒器上，用來解決微尺度燃燒(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.)所面臨的困難和挑戰(zhàn)。

綜上所述，多孔介質(zhì)液體過濾燃燒，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中有著廣闊的應(yīng)用前景。但目前人們對過濾燃燒的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入和全面，特別是許多基礎(chǔ)性的科學(xué)問題，有待深入研究和探明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為一種多孔介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中燃油液滴蒸發(fā)過程的研究方法，該研究 方法基于建模軟件Gambit和計算流體動力學(xué)軟件Fluent相結(jié)合，通過對燃油液滴(如柴油)的蒸發(fā)區(qū)域進(jìn)行觀測及優(yōu)化，能夠有效地研究燃油液滴在幾何模型單元中的蒸發(fā)過程，設(shè)計出優(yōu)化方案，在構(gòu)建的多孔介質(zhì)模型中可以觀察燃油液滴的直徑變化過程、溫度變化過程和蒸發(fā)速率的變化等，為利用多孔介質(zhì)過濾燃燒技術(shù)實現(xiàn)液體燃料的高效燃燒提供指導(dǎo)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種多孔介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中燃油液滴蒸發(fā)過程的研究方法，該方法首先利用Gambit軟件構(gòu)建三種模型(不含有多孔介質(zhì)模型和含有順排、插排結(jié)構(gòu)多孔介質(zhì)模型)，并且畫出相應(yīng)網(wǎng)格，設(shè)定模型中的壁面屬性以及流體區(qū)域和固體區(qū)域。然后將Gambit制作的三種模型的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件，利用Fluent軟件對三種模型中的計算方法和燃油液滴的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后分別進(jìn)行計算，最后對比三種模型中燃油液滴的蒸發(fā)過程。具體步驟如下：

第一步，利用Gambit軟件的參數(shù)化建模功能建立二維平壁幾何模型、多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型；所述的二維平壁幾何模型和多孔介質(zhì)順排幾何模型為方形，尺寸為5mm-50mm；所述的多孔介質(zhì)插排幾何模型為矩形，所述的矩形尺寸寬為5.732mm-57.32mm，高度為9.305mm-93.05mm。所述的多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型的四個角均有一個扇形面，所述的扇形面為多孔介質(zhì)高溫壁面，由四分之一的氧化鋁或碳化硅小球構(gòu)成，所述的小球直徑為4mm-40mm，所述高溫壁面溫度為800K-1000K。兩個高溫壁面之間的邊界取為出口，所述的出口寬度為1mm-10mm。

將三種幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)出網(wǎng)格文件，作為流體計算軟件Fluent軟件的輸入文件。

第二步，通過流體計算軟件Fluent讀取第一步得到的網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格， 若結(jié)果中有負(fù)體積網(wǎng)格，重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分；若結(jié)果中沒有負(fù)體積網(wǎng)格，則進(jìn)行下一步。

第三步，進(jìn)行Fluent中的模型設(shè)置

3.1)依次啟動操作面板上的能量方程、粘性模型中的k-epsilon方程、輻射模型中的Discrete Ordinates方程，再依次激活燃油液滴材料種類模型中的具體選項，激活離散項模型中的離散相與連續(xù)相相互作用的選項和噴射選項；

3.2)設(shè)置Fluent中操作面板上噴射選項的具體參數(shù)：在二維平壁幾何模型和多孔介質(zhì)順排幾何模型中，將燃油液滴的噴射位置設(shè)定為一個邊界的中點，所述的邊界是指四個邊界中的任意一個；在多孔介質(zhì)插排幾何模型中，將燃油液滴的噴射位置設(shè)定為矩形的一個頂點，所述的頂點是指四個頂點中的任意一個。再設(shè)定初始燃油液滴的直徑、溫度、噴射速度、噴射終止時間和質(zhì)量流量，所述的直徑值為5.0×10^-5m-5.0×10^-4m、溫度為300K-341K、噴射速度為v_x＝10,v_y＝5.75m/s或v_x＝5.75,v_y＝5.75m/s、噴射終止時間為1.0×10^-6s、質(zhì)量流量為5.0×10^-4kg/s。

3.3)在材料選項中設(shè)定燃油液滴的密度、比熱容、沸點參數(shù)，并且添加新的固體材料氧化鋁或碳化硅。

第四步，在幾何模型中設(shè)置邊界條件和計算方法

在幾何模型中，設(shè)置二維平壁幾何模型的氧化鋁或碳化硅高溫壁面，所述高溫壁面溫度為800K-1000K，出口均設(shè)置為壓力出口，操作壓力設(shè)為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所述的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為101325Pa。再依次設(shè)定計算方法，所述的計算方法采用SIMPLE方法；設(shè)定空間離散方法，所述的空間離散方法中梯度計算方法采用格林高斯算法，壓力計算方法采用標(biāo)準(zhǔn)選項，動量、湍動能和湍動能耗散率和能量方程的計算方法均采用二階迎風(fēng)格式。

第五步，模型初始化和計算設(shè)置

將計算區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行初始化，并在多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型中，將氧化鋁或碳化硅的高溫壁面溫度設(shè)置為800K—1000K；在Fluent的計算活動選項中設(shè)置自動保存dat文件，所述的自動保存dat文件是指Fluent每次完成10個時間步長的計算時，自動保存一個dat文件到儲存位置；將時間步長設(shè)定為1.0×10^-6s-5.0×10^-5s；將步長數(shù)量設(shè)定為5000-50000，每個時間步長內(nèi)的最大迭代次數(shù)設(shè)定為1000次，開始計算；

第六步，讀取相應(yīng)工況下Fluent的dat文件，利用Fluent中的Graphics選項得到平壁幾何模型、多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型中燃油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。

本發(fā)明中，F(xiàn)luent軟件能較好的描述燃油液滴的蒸發(fā)過程，對比三種幾何模型，可知相同工況下含有多孔介質(zhì)的幾何模型是更有利于燃油液滴蒸發(fā)的。

本發(fā)明通過建立不含有多孔介質(zhì)模型和含有順排、插排結(jié)構(gòu)多孔介質(zhì)幾何模型，提供了一種燃油液滴在多孔介質(zhì)中蒸發(fā)過程的微觀機(jī)理和物性變化的研究方法。此方法可以研究分析燃油液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，對進(jìn)一步提高燃油燃燒效率，減少污染物排放和研究開發(fā)多孔介質(zhì)新模型具有重要的意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是二維平壁幾何模型的網(wǎng)格示意圖；

圖3是多孔介質(zhì)順排幾何模型的網(wǎng)格示意圖；

圖4是多孔介質(zhì)插排幾何模型的網(wǎng)格示意圖；

圖5是二維平壁幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖；

圖6是多孔介質(zhì)順排幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖；

圖7是多孔介質(zhì)插排幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。

具體實施方式

為了是本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種多孔介質(zhì)幾何模型結(jié)構(gòu)中柴油液滴蒸發(fā)過程的研究方法，利用Fluent軟件對三種幾何模型中計算方法和柴油液滴的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后分別進(jìn)行計算，最后對比三種幾何模型中柴油液滴的蒸發(fā)過程。本發(fā)明的流程圖如圖1，所示，具體步驟如下：

第一步，利用Gambit軟件的參數(shù)化建模功能建立二維平壁幾何模型、多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型；所述的二維平壁幾何模型和多孔介質(zhì)順排幾何模型為方形，尺寸為5mm；所述的多孔介質(zhì)插排幾何模型為矩形，所述的矩形尺寸寬為5.732mm，高度為9.305mm。所述的多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型的四個角均有一個扇形面，所述的扇形面為多孔介質(zhì)高溫壁面，由四分之一的氧化鋁或碳化硅小球構(gòu)成，所述的小球直徑為4mm。兩個高溫壁面之間的邊界取為出口，所述的出口寬度為1mm。

二維平壁幾何模型的網(wǎng)格示意圖如圖2所示，多孔介質(zhì)順排幾何模型的網(wǎng)格示意圖如圖3所示，多孔介質(zhì)插排幾何模型的網(wǎng)格示意圖如圖4所示。將三種幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)出網(wǎng)格文件，作為流體計算軟件Fluent軟件的輸入文件。

第二步，通過流體計算軟件Fluent讀取第一步得到的網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，若結(jié)果中有負(fù)體積網(wǎng)格，重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分；若結(jié)果中沒有負(fù)體積網(wǎng)格，則進(jìn)行下一步。

第三步，進(jìn)行Fluent中的模型設(shè)置

3.1)依次啟動操作面板上的能量方程、粘性模型中的k-epsilon方程、輻射模型中的Discrete Ordinates方程，再依次激活液體材料種類模型中的具體選項，激活離散項模型中的離散相與連續(xù)相相互作用的選項和噴射選項；

3.2)設(shè)置Fluent中操作面板上噴射選項的具體參數(shù)：在二維平壁幾何模型和多孔介質(zhì)順排幾何模型中，將燃油液滴的噴射位置設(shè)定為一個邊界的中點，所述的邊界是指四個邊界中的任意一個；在多孔介質(zhì)插排幾何模型中，將燃油液滴的噴射位置設(shè)定為矩形的一個頂點，所述的頂點是指四個頂點中的任意一個。再設(shè)定初始燃油液滴的直徑、溫度、噴射速度、噴射終止時間和質(zhì)量流量，所述的直徑值為5.0×10^-5m-5.0×10^-4m、溫度為300K-341K、噴射速度為v_x＝10,v_y＝5.75m/s或v_x＝5.75,v_y＝5.75m/s、噴射終止時間為1.0×10^-6s、質(zhì)量流量為5.0×10^-4kg/s。

3.3)在材料選項中設(shè)定燃油液滴的密度、比熱容、沸點參數(shù)，并且添加新的固體材料氧化鋁或碳化硅。

第四步，在幾何模型中設(shè)置邊界條件和計算方法

在幾何模型中，設(shè)置二維平壁幾何模型的氧化鋁或碳化硅高溫壁面，所述高溫壁面溫度為800K，出口均設(shè)置為壓力出口，操作壓力設(shè)為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所述的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為101325Pa。再依次設(shè)定計算方法，所述的計算方法采用SIMPLE方法；設(shè)定空間離散方法，所述的空間離散方法中梯度計算方法采用格林高斯算法，壓力計算方法采用標(biāo)準(zhǔn)選項，動量、湍動能和湍動能耗散率和能量方程的計算方法均采用二階迎風(fēng)格式。

第五步，模型初始化和計算設(shè)置

將計算區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行初始化，并在多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型中，將氧化鋁或碳化硅的高溫壁面溫度設(shè)置為800K或1000K；在 Fluent的計算活動選項中設(shè)置自動保存dat文件，所述的自動保存dat文件是指Fluent每次完成10個時間步長的計算時，自動保存一個dat文件到儲存位置；將時間步長設(shè)定為1.0×10^-5s；將步長數(shù)量設(shè)定為10000，每個時間步長內(nèi)的最大迭代次數(shù)設(shè)定為1000次，開始計算。

第六步，將第一步中敘述的三種幾何模型，設(shè)定不同的參數(shù)得到六種工況進(jìn)行計算對比，所述的六種工況包括平壁幾何模型，平壁幾何模型的氧化鋁或碳化硅高溫壁面為800K，柴油液滴入射角為30°；包括多孔介質(zhì)順排幾何模型，其氧化鋁或碳化硅高溫壁面溫度為800K或1000K，柴油液滴入射角度為30°或45°；包括多孔介質(zhì)插排幾何模型，其氧化鋁或碳化硅高溫壁面溫度1000K，柴油液滴入射角度為30°。

第七步，通過Fluent分別讀取三種幾何模型不同工況對應(yīng)dat文件，利用Fluent中的Graphics選項得到平壁幾何模型、多孔介質(zhì)順排幾何模型和多孔介質(zhì)插排幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。用Fluent分別讀取三種幾何模型在相同工況下的柴油液滴達(dá)到飽和溫度時刻的dat文件，所述的工況是三種幾何模型中氧化鋁或碳化硅高溫壁面為800K，柴油液滴入射角為30°，利用Fluent中Graphics選項得到平壁幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5所示、多孔介質(zhì)順排幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖如圖6所示和多孔介質(zhì)插排幾何模型中柴油液滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖如圖7所示。