[论文解读] Enhancing the predictive capabilities for high P/T fuel sprays; non-ideal thermodynamic modelling using PC-SAFT

Phoevos Koukouvinis, Alvaro Vidal-Roncero+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2020

Phase Equilibria and Thermodynamics参考文献 20被引用 6

一句话总结

本研究通过采用PC-SAFT状态方程描述非理想热力学行为，显著提升了高压力/高温燃料喷雾预测建模的准确性，尤其在液体密度和声速预测方面优于传统立方型状态方程。对ECN Spray-A案例的模拟结果与实验数据在蒸气穿透长度、温度分布及质量分数分布方面表现出良好一致性，且结果紧密遵循绝热等压混合曲线，验证了能量守恒行为。

ABSTRACT

The present work aims to investigate the complex phenomena occurring during high-pressure/high-temperature fuel injection of the Engine Combustion Network (ECN) Spray-A case. While commonly in the literature transcritical mixing cases are approached using traditional cubic equation-of-state models, such models can prove insufficient in the accurate prediction of liquid density and speed of sound. The purpose of the present investigation is to employ a general tabulated approach which can be applied to any type of thermodynamic closure. At the same time, a more advanced model based on the Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory (PC-SAFT) is employed to create the thermodynamic table, as it is proven superior to the traditional cubic models, while also having the capacity of predicting Vapor-Liquid-Equilibrium. The model has been used for a combination of dodecane and nitrogen mixing, corresponding to the well known Spray-A conditions. Vapor penetration and mixing both in terms of temperature and mass fraction are found in agreement to experiments, within the experimental errors. Also, the thermodynamic states correspond well with the adiabatic isobaric-mixing curve, demonstrating the energy-conservative nature of the approach.

研究动机与目标

• 解决传统立方型状态方程在现代内燃机典型高压力/高温条件下预测液体密度和声速时的局限性。
• 提升在超临界与跨临界区域中，理想化模型失效时的燃料喷雾预测精度。
• 采用PC-SAFT实现通用查表热力学方法，以实现对烃类-氮气混合物的高精度、低校准需求建模。
• 基于Engine Combustion Network Spray-A基准实验数据对模型进行验证，重点关注蒸气穿透长度、温度分布及质量分数分布。

提出的方法

• 采用具有机械与热平衡的弥散界面模型，假设混合物具有单一速度、压力与温度场。
• 控制方程包括混合物质量守恒与组分输运方程（以十二烷为示例），通过有限体积CFD求解器结合k-ε湍流模型求解。
• 采用PC-SAFT作为热力学闭合关系，计算混合物性质（包括气液平衡），且仅需少量输入参数。
• 利用PC-SAFT生成热力学表格，以实现宽广压力与温度范围内的精确物性预测。
• 通过PC-SAFT计算绝热等压混合曲线，以验证模拟结果的能量守恒特性。
• 将模型应用于ECN Spray-A案例，模拟十二烷在60 bar与900 K氮气中喷射的情况，并与实验数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高P/T燃料喷雾中，PC-SAFT是否能比传统立方型状态方程更准确地预测液体密度与声速？
• RQ2 基于PC-SAFT的模型在ECN Spray-A案例中，对实验测得的蒸气穿透长度、温度分布及质量分数分布的再现能力如何？
• RQ3 模拟得到的热力学状态在多大程度上遵循绝热等压混合曲线，从而体现能量守恒行为？
• RQ4 该模型在捕捉喷油器喷口附近焦耳-汤姆逊冷却与粘性加热效应方面表现如何？
• RQ5 PC-SAFT模型是否可有效用于不同烃类及燃料模拟物的参数化研究，且仅需极少实验校准？

主要发现

• PC-SAFT模型在预测液体密度与声速方面显著优于传统立方型状态方程，尤其在高压条件下表现更优。
• 模拟得到的蒸气穿透长度、温度分布及质量分数分布与实验数据高度一致，即使在最远测量点46 mm处也处于实验不确定度范围内。
• CFD求解器的计算状态点紧密跟随通过PC-SAFT计算得到的绝热等压混合曲线，证实了模拟方法的能量守恒特性。
• 焦耳-汤姆逊冷却与粘性加热引起的温度变化被准确捕捉，最低温度（约318 K）出现在下游dodecane质量分数为99%的位置。
• 该模型在标准工作站上每例模拟耗时不足10小时，具备开展不同燃料及燃料模拟物参数化研究的可行性。