【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于缸內油氣混合，尤其是涉及高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法。
技術介紹
1、yang和meng及其團隊在超臨界環境中燃料液滴的相變和混合特性研究領域做出了杰出貢獻，yang和meng等人研究了超臨界層流中單個lox液滴的輸運混合和動態演變，他們重點關注環境壓力和對流流速這兩個環境因素，他們的研究結果也證實了環境壓力的增加會增強液滴的拉伸變形，在此之后，yang和meng等人對超臨界對流氮氣環境中兩個lox液滴的油氣混合過程開展了研究，提供了更多關于前后液滴相互作用對油氣混合影響的信息。sierra-pallares等人研究了液滴尺寸、環境壓力和對流流速對超臨界環境下燃料液滴油氣混合過程的影響，他們的結果表明，液滴尺寸對液滴動態演變沒有影響。chae等人研究了環境壓力和對流速度對超臨界lox液滴動態演變和汽化特性的影響。他們研究發現升高的環境壓力會加速液滴的拉伸變形，他們還得出結論：在超臨界條件下，增加環境壓力會抑制擴散，進而導致液滴壽命縮短。lee等人模擬了超臨界正庚烷液滴在遠高于燃料臨界點的氮氣環境中的混合和變形過程，他們的數值結果顯示，由于氣液界面和表面張力的消失，最初保持球形的燃料液滴顯著變形，并在尾部形成環形渦流。不過在他們的熱力學模型中，燃料和氣體的熱力學性質均不考慮真實氣體效應，并假設流體密度恒定不變，因此他們的結果存在一定的局限性。基于氣液界面厚度優化缸內混合氣的研究有助于從微觀上優化缸內油氣混合的效果，能夠通過提前預測燃料超臨界相變從而調控缸內氣流優化油氣混合。但由于氣液界面的厚度尺
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，解決現有技術存在的傳統的光學試驗手段無法捕捉氣液界面結構的演化過程，且在傳統的熱力學模型中均不考慮真實氣體效應以及油氣混合均勻性差的問題。
2、為實現上述目的，本專利技術提供高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，包括以下步驟：
3、步驟1、選擇在二元混合物中密度在氣液界面內單調變化的烷烴組分為參考組分，其中氣液界面為處于氣液相平衡狀態下烷烴/氮氣二元混合物之間的區域；
4、步驟2、計算氣液界面法向方向上參考組分的密度分布與影響參數；
5、步驟3、根據氣液界面法向方向上參考組分的密度分布，計算得到氣液界面的特征界面厚度和表面張力；
6、步驟4、根據界面溫度、平衡壓力及平均分子硬球直徑計算平均分子自由程和克努森數；
7、步驟5、通過界面厚度、表面張力和平均分子自由程及克努森數共同預測氣液界面空間結構的演變，具體為：當克努森數大于0.1時，界面厚度增大、表面張力減小，平均分子自由程縮短，但并未到達極限；當克努森數不大于0.1時，界面厚度最厚，表面張力最小，平均分子自由程最短，預測氣液界面內的混合流體由非連續流體向連續流體轉變，發生超臨界相變，此時氣液界面消失且轉變為超臨界流體邊界混合層；
8、步驟6、當步驟5預測的結果為液滴發生超臨界相變后，增大缸內氣流雷諾數，建立高密度對流環境液滴亞臨界蒸發混合模型和建立高密度對流環境液滴超臨界擴散混合模型共同優化缸內油氣混合。
9、優選的，步驟2中氣液界面法向方向上參考組分的密度分布的計算表達式如下：
10、
11、式中，ρi,l為液相密度，ρi,v為氣相密度，δρi為密度增量，n為氣液界面離散的網格節點數量，ρi表示液相的密度。
12、優選的，步驟2中影響參數κi,j的計算表達式如下：
13、
14、c0,i＝-2.985+4.332zc,i+10.859zc,i2-1.990ωi+1.798ωi2-5.436×10-6(θr,i)2
15、c1,i＝-0.965+1.405zc,i+2.746zc,i2-0.963ωi+1.346ωi2-1.110×10-6(θr,i)2
16、c2,i＝-0.121+0.156zc,i+0.540zc,i2-0.123ωi+0.090ωi2-0.219×10-6(θr,i)2
17、式中，βi,j表示二元相互影響參數，κi表示純組分i的影響參數，κj表示純組分j的影響參數，ai和bi均為常數，na表示阿伏伽德羅常數，c0,i、c1,i和c2,i均是純物質的相關系數，t'r表示特征溫度，zc,i表示臨界壓縮因子，ωi表示偏心因子，θr,i表示對比態偶極矩。
18、優選的，步驟3中氣液界面的表面張力的具體計算過程如下：
19、s31、氣液界面法向方向上空間坐標形式的表面張力σ1表達式如下：
20、
21、s32、通過坐標轉換規則將氣液界面法向方向上空間坐標形式轉換為氣液界面法向方向上的密度分布形式，具體計算表達式如下：
22、
23、式中，ρm,i和ρm,j分別為混合物中液相和氣相組分密度，下標i表示參考組分，下標v、l分別表示處于相平衡狀態得氣相和液相，ρi和ρj分別為液相和氣相的密度，σ表示氣液界面法向方向上密度分布形式的表面張力。
24、優選的，步驟3中氣液界面的特征界面厚度lvle的計算表達式如下：
25、
26、式中，ρi,0為參考組分i在初始積分處的氣相密度，z0表示ρi,0所處的位置，z表示ρi所處的位置，表示混合物的巨熱力學勢能密度，表示平衡壓力的負值，為巨熱力學勢能密度差，巨熱力學勢能密度差的計算表達式如下：
27、
28、式中，ρm,i表示混合物中液相密度，ρm,j表示混合物中氣相密度。
29、優選的，步驟4中根據界面溫度、平衡壓力及平均分子硬球直徑計算平均分子自由程的計算表達式如下：
30、
31、式中，di為鏈狀硬球直徑，mi為硬球數，為硬球直徑，d為平均分子硬球直徑，xi為，λ為平均分子自由程，kb為玻爾茲曼常數，t為界面溫度，p為平衡壓力；
32、平均分子自由程與特征界面厚度的比值為克努森數，計算表達式如下：
33、
34、式中，kn為克努森數。
35、優選的，步驟6中基于vof方法建立高密度對流環境液滴亞臨界蒸發混合模型，包括連續性方程、動量方程、能量方程以及組分方程，具體如下：
36、采用vof方法捕捉氣液兩相間界面，并采用分段線性界面算法重構高分辨率的氣液界面，在vof方法中，任意一個控制體內的液相和氣相體積分數的總和始終1，具體表達式如下：
37、
38、式中，αl為液相體積分數；
39、連續性方程的計算表達式如下：...
【技術保護點】
1.高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟2中氣液界面法向方向上參考組分的密度分布的計算表達式如下：
3.根據權利要求2所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟2中影響參數κi，j的計算表達式如下：
4.根據權利要求3所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟3中氣液界面的表面張力的具體計算過程如下：
5.根據權利要求4所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟3中氣液界面的特征界面厚度lVLE的計算表達式如下：
6.根據權利要求5所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟4中根據界面溫度、平衡壓力及平均分子硬球直徑計算平均分子自由程的計算表達式如下：
7.根據權利要求6所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于：步驟6中基
8.根據權利要求7所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟6中建立的高密度對流環境液滴超臨界擴散混合模型包括四個控制方程，具體為連續性控制方程、動量控制方程、能量控制方程以及組分控制方程，每個控制方程的計算表達式如下：
...【技術特征摘要】
1.高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟2中氣液界面法向方向上參考組分的密度分布的計算表達式如下：
3.根據權利要求2所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟2中影響參數κi，j的計算表達式如下：
4.根據權利要求3所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟3中氣液界面的表面張力的具體計算過程如下：
5.根據權利要求4所述的高密度環境下基于液滴相變狀態的缸內油氣混合優化方法，其特征在于，步驟3中氣液界面的特征界面厚度lvle的計算表...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳晗，段佳龍，石智成，陳昊，趙偉華，劉立雄，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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