一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法

1.本发明属于加热蒸发模型领域，特别是涉及一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法。


背景技术：

2.油包水型乳化油是指油是连续相，水是分散相，水以小水珠形式分散在油内的多相分散体系溶液，其作为一种燃料在内燃机中应用不仅能提高燃油经济性，还能降低碳烟、氮氧化物等污染物排放。油包水型乳化油的加热蒸发过程对缸内喷雾雾化、混合气的形成有重要影响。但由于油包水型乳化油结构复杂，液滴在加热过程中存在复杂的物理变化过程，目前并没有较为准确的方法对油包水型乳化油液滴加热蒸发过程进行预测。
3.目前，常用的油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法都是基于多组份互溶型燃油的预测方法，假设乳化油中分散小水珠的扩散与互溶型燃油的扩散一样，认为油滴内的水可以无限扩散到油滴表面蒸发。也有方法假设乳化油中的分散水以一个水珠的形式存在于油滴中心，在加热过程中不运动、不扩散。这些方法都没有考虑表面活性剂对液滴加热蒸发过程的影响，我们实验研究发现，乳化油中的表面活性剂在温度过一个阈值的时候会失效，乳化油中分散的小水珠在表面活性剂失去活性后会迅速聚合，对乳化油的加热蒸发产生重要影响。目前的预测方法并没有考虑这些因素，预测精度低，特别是在表面活性剂失效后的预测。本专利以实验为基础，充分考虑了油包水型乳化油在加热过程中表面活性剂失活后对分散水珠扩散蒸发的影响，预测方法具有较高的准确性，该发明为油包水型乳化油液滴蒸发研究提供了新思路。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法来解决现有技术存在预测精度低的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：提供一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其创新点在于，具体包括建模过程和求解过程；
6.建模过程为：
7.步骤1：对油包水型乳化油液滴进行抽象与简化；
8.步骤2：建立方程描述油包水型乳化油的物性参数；
9.步骤3：建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程；
10.步骤4：建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程；
11.步骤5：建立方程描述油滴内的传热过程；
12.步骤6：设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程；
13.求解过程为：
14.步骤7：进行迭代求解，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布。
15.进一步的，所述的步骤1中，为了降低建模的难度，对油包水型乳化油液滴进行抽
象和简化过程包括：
16.(1)假设液滴为球形，油滴在加热过程中的传热传值过程是球对称，则将油滴的加热蒸发过程简化为一维过程；
17.(2)乳化油中分散小水珠的直径与油滴的直径比小于1:200，则将小水珠假设为质点均匀地分布在油滴内；
18.(3)当油滴的平均温度达到表面活性剂的失活温度时，为了降低建模的难度，假设油滴内分散的水珠瞬间在油滴中心聚合成一个大水珠，忽略具体的聚合过程；
19.(4)假设加热蒸发过程中乳化油滴表面附近的气体处于准稳定状态，油滴表面附近的液体和气体都处于热力学平衡状态；
20.(5)为了降低建模的难度，忽略气体向油滴的溶解过程，只考虑液体的单向蒸发，因此油滴的蒸发为史蒂芬流，油滴蒸发后的气体与空气能够快速混合形成理想气体。
21.进一步的，所述的步骤2中建立方程描述油包水型乳化油的物性参数，方程为：
22.φ
l
(t)＝∑iy
l,i
φ
l,i
(t)
23.其中，φ
l
(t)为物性参数包括气态与液态，y
l,i
为不同组份的质量分数，φ
l,i
(t)为组份i在不同温度下的物性，t为温度(k)；
24.气体物性参数组份的质量分数及气体的温度采用1/3原则来确定，即
25.y
ref,i
＝y
vs,i
+(y
v∞,i-y
vs,i
)/3
26.t
ref
＝ts+(t
g-ts)/3
27.其中，y
ref,i
为气体物性参数组份的参考质量分数，y
vs,i
为组份i的油滴表面附近气体质量分数，y
v∞,i
为无穷远处组份i的气体质量分数，t
ref
为参考温度(k)，ts为油滴表面温度(k)，tg为气体温度(k)。
28.进一步的，所述的步骤3中建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，液滴内油和水的扩散方程为：
[0029][0030]
其中，di为组份i的扩散系数(m2/s)，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数，r为球坐标，t为时间(s)；
[0031]
液滴内油和水的扩散方程的初始条件为：
[0032]
yi(r,0)＝y
i,0
[0033]
其中，yi(r,0)为组份i在半径为r处，0时刻的质量分数，用y
i,0
表示；
[0034]
液滴内油和水的扩散方程在油滴中心的边界条件为：
[0035][0036]
其中，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数；
[0037]
液滴内油和水的扩散方程在油滴表面处的边界条件为：
[0038]
[0039]
其中，为油滴的蒸发速率(kg/s)，y
ls,i
组份i在油滴表面附近液体质量分数,εi为油和水蒸发速率的比值，rd为油滴的当量半径(m)，d
w,o
为水在油中的扩散系数(m2/s)；
[0040]
液滴内油和水的扩散方程中di为组份i的扩散系数(m2/s)，可表示为：
[0041][0042]
其中，κ为玻尔兹曼常数，μ为流体的黏度(pa
·
s)，r为球体的半径(m)。
[0043]
进一步的，所述的步骤3中建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，把乳化油液滴假设为球对称液滴，且只在液滴内求解方程，当乳化油液滴内的水发生聚合后，该方程不再求解。
[0044]
进一步的，所述的步骤4中建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程，具体为：当总的蒸发速率被确定后，水和油在油滴表面的蒸发速率表示为：
[0045][0046]
其中，表示油滴的总蒸发速率(kg/s)，表示水和油在油滴表面的蒸发速率(kg/s)；
[0047]
水和油在油滴表面的蒸发速率方程中的εi表示为：
[0048][0049]
其中，εi(i＝w,o)为油和水蒸发速率的比值，y
vs,i
(i＝w,o)为油和水在油滴表面蒸气的质量分数；
[0050]
水和油在油滴表面的蒸发速率方程中的为：
[0051][0052]
其中，rd为乳化油滴的瞬时半径(m)，ρg为气体的密度(kg/m3)，dv为水蒸气在空气中的扩散系数(m2/s)；
[0053]
要求解需要求解方程中舍伍德数sh*，其表示为：
[0054][0055]
其中red和scd分别为油滴的雷诺数和施密特数；
[0056]
方程中fm是一个关于bm的函数，可表示为：
[0057][0058]
方程中bm是斯波尔丁传质数，表示为：
[0059][0060]
其中，y
v∞,i
(i＝w,o)是无穷远处水与油的质量分数，为0，y
vs,i
(i＝w,o)是油滴表面附近水蒸气与油蒸气的质量分数。
[0061]
进一步的，所述的步骤4中求解描述油和水在油滴表面的蒸发过程所建立的方程，先需要准确确定油滴表面水蒸气与油蒸气的质量分数y
vs,i
(i＝w,o)，其可表示为：
[0062][0063]
其中，mi是组份i的摩尔质量(kg/mol)，x
vs,i
为组份i在油滴表面附近气体摩尔分数，可表示为：x
vs,i
＝p
v,i
/p
amb
，p
amb
为环境压力(pa)，p
v,i
为组份i在油滴表面附近的蒸气压(pa)，表示为：
[0064][0065]
其中，x
ls,i
为油滴表面附近液体组份i的摩尔质量分数，γi为组份i的活度系数，为在油滴表面温度下组份i的饱和蒸气压(pa)，表示为：
[0066][0067]
其中，t
boil,i
是组份i的沸点温度(k)，ts为油滴表面温(k)，li为组份i在油滴表面温度下的汽化潜热值(j/kg)，ru是通用气体常数(j/(k*mol))。
[0068]
进一步的，所述的步骤5中建立方程描述油滴内的传热过程，温度在油滴内的传递方程表示为：
[0069][0070]
其中，t为时间，r为球坐标系下液滴半径，t为温度(k)；
[0071]
温度在油滴内的传递方程的初始条件为：
[0072]
t(r,0)＝t0[0073]
其中，t(r,0)为在球坐标位置r处在0时刻的温度，可设置为t0，常温297k；
[0074]
温度在油滴内的传递方程在油滴中心处的边界条件为：
[0075][0076]
温度在油滴内的传递方程在油滴表面处的边界条件为：
[0077][0078]
其中，rd为液滴的当量半径(m)，为传入油滴内的热量，k
l
为溶液的导热系数；温度在油滴内的传递方程中的α
l
为溶液的热扩散系数，表示为：
[0079]
α
l
＝k
l
/(c
pl
ρ
l
)
[0080]
其中，ρ
l
为溶液的密度(kg/m3)，c
pl
为溶液的比热容(g/(kg*k))；
[0081]
的计算公式为：
[0082][0083]
其中，为到达油滴表面的热量，表示为：
[0084][0085]
其中，nu
*
为改进的努塞尔特数，kg为气体的导热系数(w/(m
·
k))，tg为气体的加热温度(k)，ts为油滴表面温度(k)，b
t
为斯波尔丁传热数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，εd为加热容腔的热辐射系数；
[0086]
为油和水在油滴表面蒸发消耗的能量，表示为：
[0087][0088]
其中，和分别为水和油的蒸发速率(kg/s)，lw和lo分别为油和水的汽化潜热值(j/kg)；
[0089]
对于计算方程中出现的b
t
，表示为：
[0090][0091]
其中，可表示为：
[0092][0093]
其中，c
pl
为液体比热容(j/(kg
·
k))，c
pg
为气体比热容(j/(kg
·
k))，le为李维斯数，其表示为：
[0094][0095]
改进的努塞尔特数nu*表示为：
[0096][0097]
其中，red为雷诺数，prd为普朗德尔数，f
t
是斯波尔丁传热数的函数，表示为：
[0098][0099]
进一步的，所述的步骤6设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程，具体为：临界条件为表面活性剂的失活温度t
ds
，当油滴内的平均温度t
ave
高于表面活性剂的失活温度t
ds
时，油滴内的分散水聚瞬间聚合成一个大水珠在油滴的中心，之后只有油滴中的油蒸发。
[0100]
进一步的，所述的步骤7中进行迭代求解，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布，具体求解过程如下：
[0101]
(1)应用yi(r,0)＝y
i,0
，t(r,0)＝t0初始化油滴内的温度分布及组份分布；
[0102]
(2)应用方程φ
l
(t)＝∑iy
l,i
φ
l,i
(t)计算燃油的物性及气体的物性；
[0103]
(3)应用方程y
vs
＝∑iy
vs,i
计算油滴表面附近油蒸气和水蒸发的质量分数；
[0104]
(4)分别应用方程计算斯波尔丁传质数bm和斯波
尔丁传热数b
t
；
[0105]
(5)分别应用方程计算舍伍德数fm和努塞尔特数f
t
；
[0106]
(6)应用方程计算水和油在油滴表面的蒸发速率
[0107]
(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径
[0108][0109][0110][0111]
其中，为油滴半径变化率(m/s)，δt为计算时间步长(s)，为初始半径，为下一时刻油滴的当量半径(m)，为上一时刻上油滴的当量半径(m)；
[0112]
(8)应用方程计算传递到油滴内的热量
[0113]
(9)应用方程求解温度在油滴内传递的温度方程得到油滴内的温度分布，然后再用求解t
ave
的方程更新油滴的平均温度；
[0114]
(10)比较油滴的平均温度t
ave
和表面活性剂的失活温度t
ds
，如果油滴的平均温度低于表面活性剂的失活温度，即应用方程求解油滴内的组份；如果油滴的平均温度高于表面活性剂的失活温度，乳化油中分散的水聚合成一个大水珠在油滴的中心，不再求解油滴内的组份方程；
[0115]
(11)重复步骤(2)-(10)直到油滴的温度达到预设温度。
[0116]
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0117]
(1)能够利用该加热蒸发模型预测乳化油滴的加热蒸发过程的温度、直径及油滴内的组份分布。
[0118]
(2)设置了油滴内表面活性剂失活的临界条件，描述了表面活性剂对液滴加热蒸发过程的影响，考虑了表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程，使得该方法的预测准确性得到进一步提高。
[0119]
(3)建立了方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，考虑了水珠直径对水在油内扩散的影响。
附图说明
[0120]
图1为本发明的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法的流程图。
[0121]
图2为油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法示意图。
[0122]
图3油包水型乳化油液滴在加热过程中没有发生聚合时油滴温度和直径的发展历程。
[0123]
图4油包水型乳化油液滴在加热过程中发生聚合时油滴温度和直径的发展历程。
[0124]
其中，1表示油和水的混合液滴，2表示油，3表示大水珠，4表示没有水聚合，小水滴扩散到液滴表面蒸发的过程，5表示水在油中聚合成大水珠，没有水蒸发的过程，9表示水在实验中的聚合点，10表示用该方法预测的水聚合点。
具体实施方式
[0125]
为了使本技术领域的人员更好地理解本方法，下面用具体实施方式对本方法作进一步的说明。
[0126]
在本发明提供一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其具体包括建模过程和求解过程，步骤流程如图1所示；
[0127]
建模过程为：
[0128]
步骤1：对油包水型乳化油液滴进行抽象与简化：乳化油滴的加热蒸发过程极其复杂，包括气/液界面、油/水界面的相互作用，很难用cfd模型直接模拟油滴的加热蒸发过程。因此，为了降低建模的难度，对油包水型乳化油液滴进行抽象与简化和简化过程包括：
[0129]
(1)假设液滴为球形，油滴在加热过程中的传热传值过程是球对称，则将油滴的加热蒸发过程简化为一维过程；
[0130]
(2)乳化油中分散水发生聚合前，乳化油中分散小水珠的直径与油滴的直径比小于1:200，则将小水珠假设为质点均匀地分布在油滴内，这样就可以忽略油/水界面对加热蒸发过程的影响。但是，水在油内的扩散还是受到水珠直径的影响；
[0131]
(3)尽管油滴内分散水珠的聚合需要一定的时间，但是具体的聚合过程极其复杂，包括水珠的碰撞、汇聚、融合等过程，很难准确描述，同时，整个聚合过程相比于油滴的加热过程来说时间很短，因此，当油滴的平均温度达到表面活性剂的失活温度时，为了降低建模的难度，假设油滴内分散的水珠瞬间在油滴中心聚合成一个大水珠，忽略具体的聚合过程；
[0132]
(4)假设加热蒸发过程中乳化油滴表面附近的气体处于准稳定状态，油滴表面附近的液体和气体都处于热力学平衡状态；
[0133]
(5)为了降低建模的难度，忽略气体向油滴的溶解过程，只考虑液体的单向蒸发，因此油滴的蒸发为史蒂芬流，油滴蒸发后的气体与空气能够快速混合形成理想气体。
[0134]
步骤2：建立方程描述油包水型乳化油的物性参数，因为模型中液体和气体物性参数的选取对模拟的准确性有重要影响。乳化油的物性参数φ
l
(t)由乳化油中油和水质量分数及油滴的温度共同决定，例如液体导热系数k
l
，液体密度ρ
l
，液体定压比热容c
pl
，所以物性参数方程为：
[0135]
φ
l
(t)＝∑iy
l,i
φ
l,i
(t)
[0136]
其中，φ
l
(t)为物性参数包括气态与液态，y
l,i
为不同组份的质量分数，φ
l,i
(t)为组份i在不同温度下的物性，t为温度(k)；
[0137]
气体的物性，例如气体导热系数kg，气体密度ρg，气体定压比热容c
pg
，气体扩散系数dv，其也根据上述方程来计算，但气体物性参数组份的质量分数及气体的温度采用1/3原则来确定，即
[0138]yref,i
＝y
vs,i
+(y
v∞,i-y
vs,i
)/3
[0139]
t
ref
＝ts+(t
g-ts)/3
[0140]
其中，y
ref,i
为气体物性参数组份的参考质量分数，y
vs,i
为组份i的油滴表面附近气体质量分数，y
v∞,i
为无穷远处组份i的气体质量分数，t
ref
为参考温度(k)，ts为油滴表面温度(k)，tg为气体温度(k)。
[0141]
步骤3：建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程：液滴内油和水的扩散方程为:
[0142][0143]
其中，di为组份i的扩散系数(m2/s)，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数，r为球坐标，t为时间(s)；
[0144]
液滴内油和水的扩散方程的初始条件为：
[0145]
yi(r,0)＝y
i,0
[0146]
其中，yi(r,0)为组份i在半径为r处，0时刻的质量分数，用y
i,0
表示；
[0147]
液滴内油和水的扩散方程在油滴中心的边界条件为：
[0148][0149]
其中，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数；
[0150]
液滴内油和水的扩散方程在油滴表面处的边界条件通过经验公式耦合得到为：
[0151][0152]
其中，为油滴的蒸发速率(kg/s)，y
ls,i
组份i在油滴表面附近液体质量分数,εi为油和水蒸发速率的比值，rd为油滴的当量半径(m)，d
w,o
为水在油中的扩散系数(m2/s)；
[0153]
由于乳化油中只考虑油和水的扩散，水在油中的扩散等于油在水中的扩散，故液滴内油和水的扩散方程中di为组份i的扩散系数(m2/s)，可表示为：
[0154][0155]
其中，κ为玻尔兹曼常数，μ为流体的黏度(pa
·
s)，r为球体的半径(m)。
[0156]
建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，把乳化油液滴假设为球对称液滴，且只在液滴内求解方程，当乳化油液滴内的水发生聚合后，该方程不再求解，油滴中的水形成一个大水珠不会扩散，只有油蒸发。
[0157]
步骤4：建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程，具体为：当总的蒸发速率被确定后，水和油在油滴表面的蒸发速率表示为：
[0158][0159]
其中，表示油滴的总蒸发速率(kg/s)，表示水和油在油滴表面的蒸发速率(kg/s)；
[0160]
方程中的εi表示为：
[0161][0162]
其中，εi(i＝w,o)为油和水蒸发速率的比值，y
vs,i
(i＝w,o)为油和水在油滴表面蒸气的质量分数；
[0163]
对于含水乳化油，分散水珠发生聚合前，油和水在油滴表面同时蒸发，当水发生聚合后，只有油蒸发。油和水在油滴表面的蒸发速率可以通过其在油滴表面的史蒂芬流来确定，则水和油在油滴表面的蒸发速率方程中的为：
[0164][0165]
其中，rd为乳化油滴的瞬时半径(m)，ρg为气体的密度(kg/m3)，dv为水蒸气在空气中的扩散系数(m2/s)；
[0166]
要求解需要求解方程中舍伍德数sh*，其表示为：
[0167][0168]
其中red和scd分别为油滴的雷诺数和施密特数；
[0169]
方程中fm是一个关于bm的函数，可表示为：
[0170][0171]
方程中bm是斯波尔丁传质数，表示为：
[0172][0173]
其中，y
v∞,i
(i＝w,o)是无穷远处水与油的质量分数，为0，y
vs,i
(i＝w,o)是油滴表面附近水蒸气与油蒸气的质量分数。
[0174]
求解描述油和水在油滴表面的蒸发过程所建立的方程，先需要准确确定油滴表面水蒸气与油蒸气的质量分数y
vs,i
(i＝w,o)，根据前面的假设，油滴内的油和水在蒸发后能快速与空气混合，因此可以视混合气为理想气体，其可表示为：
[0175][0176]
其中，mi是组份i的摩尔质量(kg/mol)，x
vs,i
为组份i在油滴表面附近气体摩尔分数，可表示为：x
vs,i
＝p
v,i
/p
amb
，p
amb
为环境压力(pa)，p
v,i
为组份i在油滴表面附近的蒸气压(pa)，表示为：
[0177][0178]
其中，x
ls,i
为油滴表面附近液体组份i的摩尔质量分数，γi为组份i的活度系数，为在油滴表面温度下组份i的饱和蒸气压(pa)，表示为：
[0179][0180]
其中，t
boil,i
是组份i的沸点温度(k)，ts为油滴表面温(k)，li为组份i在油滴表面温度下的汽化潜热值(j/kg)，ru是通用气体常数(j/(k*mol))。
[0181]
步骤5：建立方程描述油滴内的传热过程，对于球对称油滴，温度在油滴内的传递方程表示为：
[0182][0183]
其中，t为时间，r为球坐标系下液滴半径，t为温度(k)；
[0184]
温度在油滴内的传递方程的初始条件为：
[0185]
t(r,0)＝t0[0186]
其中，t(r,0)为在球坐标位置r处在0时刻的温度，可设置为t0，常温297k；
[0187]
温度在油滴内的传递方程在油滴中心处的边界条件为：
[0188][0189]
温度在油滴内的传递方程在油滴表面处的边界条件通过经验公式耦合得到为：
[0190][0191]
其中，rd为液滴的当量半径(m)，为传入油滴内的热量，k
l
为溶液的导热系数；温度在油滴内的传递方程中的α
l
为溶液的热扩散系数，表示为：
[0192][0193]
其中，ρ
l
为溶液的密度(kg/m3)，c
pl
为溶液的比热容(g/(kg*k))；
[0194]
qd的计算公式为：
[0195][0196]
其中，为到达油滴表面的热量，表示为：
[0197][0198]
其中，nu
*
为改进的努塞尔特数，kg为气体的导热系数(w/(m
·
k))，tg为气体的加热温度(k)，ts为油滴表面温度(k)，b
t
为斯波尔丁传热数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，εd为加热容腔的热辐射系数；
[0199]
为油和水在油滴表面蒸发消耗的能量，表示为：
[0200][0201]
其中，和分别为水和油的蒸发速率(kg/s)，lw和lo分别为油和水的汽化潜热值(j/kg)；
[0202]
对于计算方程中出现的b
t
，表示为：
[0203][0204]
其中，可表示为：
[0205][0206]
其中，c
pl
为液体比热容(j/(kg
·
k))，c
pg
为气体比热容(j/(kg
·
k))，le为李维斯数，其表示为：
[0207][0208]
改进的努塞尔特数nu*表示为：
[0209][0210]
其中，red为雷诺数，prd为普朗德尔数，f
t
是斯波尔丁传热数的函数，表示为：
[0211][0212]
步骤6：设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程；如图2所示，具体为：临界条件为表面活性剂的失活温度t
ds
，当油滴内的平均温度t
ave
低于表面活性剂的失活温度t
ds
时，小水滴假设为质点均匀地分布在油和水的混合液滴1内，没有水聚合，小水滴可以扩散到液滴表面蒸发4，随着温度的升高，当油滴内的平均温度t
ave
高于表面活性剂的失活温度t
ds
时，油滴2内的分散水聚瞬间聚合成一个大水珠3在油滴的中心，聚合后没有水蒸发5，只有液滴中的油蒸发。
[0213]
求解过程为：
[0214]
步骤7：进行迭代求解，如图1所示，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布。具体求解过程如下：
[0215]
(1)应用方程yi(r,0)＝y
i,0
，t(r,0)＝t0初始化油滴内的温度分布及组份分布；
[0216]
(2)应用方程φ
l
(t)＝∑iy
l,i
φ
l,i
(t)计算燃油的物性及气体的物性；
[0217]
(3)应用方程y
vs
＝σiy
vs,i
计算油滴表面附近油蒸气和水蒸发的质量分数；
[0218]
(4)分别应用方程计算斯波尔丁传质数bm和斯波尔丁传热数b
t
；
[0219]
(5)分别应用方程计算舍伍
德数fm和努塞尔特数f
t
；
[0220]
(6)应用方程计算水和油在油滴表面的蒸发速率
[0221]
(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径
[0222][0223][0224][0225]
其中，为油滴半径变化率(m/s)，δt为计算时间步长(s)，为初始半径，为下一时刻油滴的当量半径(m)，为上一时刻上油滴的当量半径(m)；
[0226]
(8)应用方程计算传递到油滴内的热量
[0227]
(9)应用方程求解温度在油滴内传递的温度方程得到油滴内的温度分布，然后再用求解t
ave
的方程更新油滴的平均温度；
[0228]
(10)比较油滴的平均温度t
ave
和表面活性剂的失活温度t
ds
，如果油滴的平均温度低于表面活性剂的失活温度，即应用方程求解油滴内的组份；如果油滴的平均温度高于表面活性剂的失活温度，乳化油中分散的水聚合成一个大水珠在油滴的中心，不再求解油滴内的组份方程；
[0229]
(11)重复步骤(2)-(10)直到油滴的温度达到预设温度。
[0230]
应用本方法对油包水型乳化油在加热中的蒸发过程进行了预测，并与实验进行了对比。图3为加热温度为383k，乳化油中表面活性剂的含量为0.5vol％，水的含量为30vol％，分散相水珠的索特平均直径为3.7μm，加热过程中乳化油中表面活性剂没有失去活性，油滴内分散水珠没有发生聚合的条件下，油滴在加热过程中温度和直径的发展历程。方块为实验结果，曲线为预测结果。从图中可以看出，预测结果与实验结果吻合较好，这说明该方法在没有发生聚合的情况下，能够很好地预测液滴的加热蒸发过程。
[0231]
图4为加热温度为383k，乳化油中表面活性剂的含量为0.5vol％，水的含量为30vol％，分散相水珠的索特平均直径为3.7μm，加热过程中乳化油中表面活性剂失去活性，油滴内分散水珠发生聚合条件下，油滴在加热过程中温度和直径的发展历程。方块为实验结果，实曲线为考虑水聚合的预测结果，虚曲线为不考虑水聚合的预测结果，9表示水在实验中的聚合点，10表示用该方法预测的水聚合点。从图中可以看出，该方法预测结果与实验结果吻合较好。这说明该方法在水发生聚合的情况下，能够很好地预测液滴的加热蒸发过程。而现有技术中没有考虑水的聚合过程，当水聚合后，预测结果与实验值就有较大的差
异。
[0232]
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

技术特征：
1.一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，具体包括建模过程和求解过程；建模过程为：步骤1：对油包水型乳化油液滴进行抽象和简化；步骤2：建立方程描述油包水型乳化油的物性参数；步骤3：建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程；步骤4：建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程；步骤5：建立方程描述油滴内的传热过程；步骤6：设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程；求解过程为：步骤7：进行迭代求解，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布。2.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤1中，为了降低建模的难度，对油包水型乳化油液滴进行抽象和简化过程包括：(1)假设液滴为球形，油滴在加热过程中的传热传值过程是球对称，则将油滴的加热蒸发过程简化为一维过程；(2)乳化油中分散小水珠的直径与油滴的直径比小于1:200，则将小水珠假设为质点均匀地分布在油滴内；(3)当油滴的平均温度达到表面活性剂的失活温度时，为了降低建模的难度，假设油滴内分散的水珠瞬间在油滴中心聚合成一个大水珠，忽略具体的聚合过程；(4)假设加热蒸发过程中乳化油滴表面附近的气体处于准稳定状态，油滴表面附近的液体和气体都处于热力学平衡状态；(5)为了降低建模的难度，忽略气体向油滴的溶解过程，只考虑液体的单向蒸发，因此油滴的蒸发为史蒂芬流，油滴蒸发后的气体与空气能够快速混合形成理想气体。3.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤2中建立方程描述油包水型乳化油的物性参数，方程为：φ
l
(t)＝∑
i
y
l,i
φ
l,i
(t)其中，φ
l
(t)为物性参数包括气态与液态，y
l,i
为不同组份的质量分数，φ
l,i
(t)为组份i在不同温度下的物性，t为温度(k)；气体物性参数组份的质量分数及气体的温度采用1/3原则来确定，即y
ref,i
＝y
vs,i
+(y
v∞,i-y
vs,i
)/3t
ref
＝t
s
+(t
g-t
s
)/3其中，y
ref,i
为气体物性参数组份的参考质量分数，y
vs,i
为组份i的油滴表面附近气体质量分数，y
v∞,i
为无穷远处组份i的气体质量分数，t
ref
为参考温度(k)，t
s
为油滴表面温度(k)，t
g
为气体温度(k)。4.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤3中建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，液滴内油和水的扩散方程为:
其中，d
i
为组份i的扩散系数(m2/s)，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数，r为球坐标，t为时间(s)；液滴内油和水的扩散方程的初始条件为：y
i
(r,0)＝y
i,0
其中，y
i
(r,0)为组份i在半径为r处，0时刻的质量分数，用y
i,0
表示；液滴内油和水的扩散方程在油滴中心的边界条件为：其中，y
l,i
为组份i在油滴内的质量分数；液滴内油和水的扩散方程在油滴表面处的边界条件为：其中，为油滴的蒸发速率(kg/s)，y
ls,i
组份i在油滴表面附近液体质量分数,ε
i
为油和水蒸发速率的比值，r
d
为油滴的当量半径(m)，d
w,o
为水在油中的扩散系数(m2/s)；液滴内油和水的扩散方程中d
i
为组份i的扩散系数(m2/s)，可表示为：其中，κ为玻尔兹曼常数，μ为流体的黏度(pa
·
s)，r为球体的半径(m)。5.根据权利要求4所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤3中建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程，把乳化油液滴假设为球对称液滴，且只在液滴内求解方程，当乳化油液滴内的水发生聚合后，该方程不再求解。6.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤4中建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程，具体为：当总的蒸发速率被确定后，水和油在油滴表面的蒸发速率表示为：其中，表示油滴的总蒸发速率(kg/s)，表示水和油在油滴表面的蒸发速率(kg/s)；方程中的ε
i
表示为：其中，ε
i
(i＝w,o)为油和水蒸发速率的比值，y
vs,i
(i＝w,o)为油和水在油滴表面蒸气的质量分数；
方程中的为：其中，r
d
为乳化油滴的瞬时半径(m)，ρ
g
为气体的密度(kg/m3)，d
v
为水蒸气在空气中的扩散系数(m2/s)；求解需要求解方程中舍伍德数sh*，其表示为：其中re
d
和sc
d
分别为油滴的雷诺数和施密特数；方程中f
m
是一个关于b
m
的函数，可表示为：方程中b
m
是斯波尔丁传质数，表示为：其中，y
v∞,i
(i＝w,o)是无穷远处水与油的质量分数，为0，y
vs,i
(i＝w,o)是油滴表面附近水蒸气与油蒸气的质量分数。7.根据权利要求6所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤4中求解描述油和水在油滴表面的蒸发过程所建立的方程，先需要准确确定油滴表面水蒸气与油蒸气的质量分数y
vs,i
(i＝w,o)，其可表示为：其中，m
i
是组份i的摩尔质量(kg/mol)，x
vs,i
为组份i在油滴表面附近气体摩尔分数，可表示为：x
vs,i
＝p
v,i
/p
amb
，p
amb
为环境压力(pa)，p
v,i
为组份i在油滴表面附近的蒸气压(pa)，表示为：其中，x
ls,i
为油滴表面附近液体组份i的摩尔质量分数，γ
i
为组份i的活度系数，为在油滴表面温度下组份i的饱和蒸气压(pa)，表示为：其中，t
boil,i
是组份i的沸点温度(k)，t
s
为油滴表面温(k)，l
i
为组份i在油滴表面温度下的汽化潜热值(j/kg)，r
u
是通用气体常数(j/(k*mol))。8.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤5中建立方程描述油滴内的传热过程，温度在油滴内的传递方程表示为：其中，t为时间，r为球坐标系下液滴半径，t为温度(k)；
温度在油滴内的传递方程的初始条件为：t(r,0)＝t0其中，t(r,0)为在球坐标位置r处在0时刻的温度，可设置为t0，常温297k；温度在油滴内的传递方程在油滴中心处的边界条件为：温度在油滴内的传递方程在油滴表面处的边界条件为：其中，r
d
为液滴的当量半径(m)，为传入油滴内的热量，k
l
为溶液的导热系数；温度在油滴内的传递方程中的α
l
为溶液的热扩散系数，表示为：α
l
＝k
l
/(c
pl
ρ
l
)其中，ρ
l
为溶液的密度(kg/m3)，c
pl
为溶液的比热容(g/(kg*k))；的计算公式为：其中，为到达油滴表面的热量，表示为：其中，nu*为改进的努塞尔特数，k
g
为气体的导热系数(w/(m
·
k))，t
g
为气体的加热温度(k)，t
s
为油滴表面温度(k)，b
t
为斯波尔丁传热数，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，ε
d
为加热容腔的热辐射系数；为油和水在油滴表面蒸发消耗的能量，表示为：其中，和分别为水和油的蒸发速率(kg/s)，l
w
和l
o
分别为油和水的汽化潜热值(j/kg)；对于计算方程中出现的b
t
，表示为：其中，可表示为：其中，c
pl
为液体比热容(j/(kg
·
k))，c
pg
为气体比热容(j/(kg
·
k))，le为李维斯数，其表示为：
改进的努塞尔特数nu*表示为：其中，re
d
为雷诺数，pr
d
为普朗德尔数，f
t
是斯波尔丁传热数的函数，表示为：9.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤6设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程，具体为：临界条件为表面活性剂的失活温度t
ds
，当油滴内的平均温度t
ave
高于表面活性剂的失活温度t
ds
时，油滴内的分散水聚瞬间聚合成一个大水珠在油滴的中心，之后只有油滴中的油蒸发。10.根据权利要求1所述的一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，其特征在于，所述的步骤7中进行迭代求解，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布，具体求解过程如下：(1)应用y
i
(r,0)＝y
i,0
，t(r,0)＝t0初始化油滴内的温度分布及组份分布；(2)应用方程φ
l
(t)＝∑
i
y
l,i
φ
l,i
(t)计算燃油的物性及气体的物性；(3)应用方程y
vs
＝∑
i
y
vs,i
计算油滴表面附近油蒸气和水蒸发的质量分数；(4)分别应用方程计算斯波尔丁传质数b
m
和斯波尔丁传热数b
t
；(5)分别应用方程计算舍伍德数f
m
和努塞尔特数f
t
；(6)应用方程计算水和油在油滴表面的蒸发速率(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径(7)应用以下方程更新油滴半径得到下一时刻油滴的半径其中，为油滴半径变化率(m/s)，δt为计算时间步长(s)，为初始半径，为下一时刻油滴的当量半径(m)，为上一时刻上油滴的当量半径(m)；(8)应用方程计算传递到油滴内的热量
(9)应用方程求解温度在油滴内传递的温度方程得到油滴内的温度分布，然后再用求解t
ave
的方程更新油滴的平均温度；(10)比较油滴的平均温度t
ave
和表面活性剂的失活温度t
ds
，如果油滴的平均温度低于表面活性剂的失活温度，即应用方程求解油滴内的组份；如果油滴的平均温度高于表面活性剂的失活温度，乳化油中分散的水聚合成一个大水珠在油滴的中心，不再求解油滴内的组份方程；(11)重复步骤(2)-(10)直到油滴的温度达到预设温度。

技术总结
本发明涉及一种油包水型乳化油液滴加热蒸发过程预测方法，具体包括建模过程和求解过程；建模过程为：步骤1：对油包水型乳化油液滴进行抽象和简化；步骤2：建立方程描述油包水型乳化油的物性参数；步骤3：建立方程描述乳化油中分散水珠在油中的扩散过程；步骤4：建立方程描述油和水在油滴表面的蒸发过程；步骤5：建立方程描述油滴内的传热过程；步骤6：设置临界条件描述油滴内表面活性剂失活后分散水珠的聚合过程；求解过程为：步骤7：进行迭代求解，求出液滴在加热过程中的温度、直径及油滴内的组份分布。本发明能够利用该加热蒸发模型预测乳化油滴的加热蒸发过程的温度、直径及油滴内的组份分布。份分布。份分布。


技术研发人员：沈世全 吴品 梁子禄 蔡成 常雨新
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/9/11