在高发动机运行条件下对麻疯树和蓖麻生物燃料液滴蒸发的数值研究 阿里·拉扎（Ali Raza）、 马尔瓦·哈迪亚（Marva Hadia）、 祖奈拉·图·泽赫拉（Zunaira Tu Zehra）、 萨杰德·米兰（Sajjad Miran）、 穆罕默德·库拉姆（Muhammad Khurram） 以及 古拉姆·穆尔塔扎（Ghulam Murtaza）

《Fuels》：Numerical Investigation of Jatropha and Castor Biofuel Droplet Evaporation at High Engine Operating Conditions Ali Raza, Marva Hadia, Zunaira Tu Zehra, Sajjad Miran, Muhammad Khurram and Ghulam Murtaza

　　**摘要**
化石燃料的枯竭加剧了人们对可再生替代能源的关注，例如由非食用植物油制成的生物柴油。液滴蒸发是影响柴油发动机中燃料-空气混合和燃烧效率的关键过程。在这项研究中，利用计算流体动力学（CFD）在代表发动机环境的高温和高压条件下，研究了柴油以及两种非食用生物燃料——麻风树油和蓖麻油的蒸发特性。该数值模型结合了质量、动量和能量的守恒方程，以及k-ε湍流模型和离散相模型，以模拟蒸发过程中液滴的加热、运动和质量传递。通过比较CFD分析，研究了燃料性质、环境温度和液滴大小如何在类似的发动机条件下影响柴油、麻风树油和蓖麻油液滴的蒸发行为。分析了液滴直径、温度、速度和寿命的变化，并评估了经典D2定律在不同运行条件下的适用性。结果表明，较低温度下生物燃料液滴通常比柴油液滴蒸发得更快，而在较高温度下蒸发趋势变得相似。这些发现为麻风树油和蓖麻油的蒸发行为及其在柴油发动机中的潜在应用提供了见解。

**1. 引言**
能源是人类文明存在和发展的基本要求。近几十年来，由于工业增长、交通需求和人口快速增长，全球能源需求显著增加。传统上，这些需求主要通过原油、煤炭和天然气等化石燃料来满足。然而，过度依赖这些燃料带来了严重的环境和可持续性挑战。化石燃料的燃烧会释放大量温室气体，导致全球变暖和气候变化[1,2,3,4]。除了环境问题外，化石燃料储量是有限的，并且正在持续减少。据估计，石油和天然气储备可能在未来几十年内耗尽，而煤炭储备可能持续到大约2112年[5]。这些问题激发了人们对替代和可再生能源资源开发的广泛研究。在各种可再生能源选项中，生物燃料因其作为传统石油基燃料的潜在替代品而受到了相当大的关注。生物燃料来源于植物油、动物脂肪和可生物降解的废弃物等生物质。通常，生物燃料是由生物原料制成的长链脂肪酸的单烷基酯通过化学工艺获得的[6,7]。与化石燃料不同，生物燃料被认为是可再生的且环保的，因为它们的生命周期碳排放相对较低。此外，从农业原料本地生产生物燃料可以通过减少对进口化石燃料的依赖来增强能源安全。这些优势促使研究人员探索将生物燃料作为内燃机的替代品[8]。

已经研究了多种用于生产生物柴油的原料，常见的来源包括棕榈油、大豆油、葵花籽油、菜籽油和几种非食用油籽[9]。非食用生物燃料特别有吸引力，因为它们不会与食物资源竞争。在这些原料中，麻风树油（Jatropha curcas）和蓖麻油（Castor oil）因其高油含量和适宜的栽培特性而受到关注。麻风树油，又称 physic nut 或 purging nut，需要相对较低的水和肥料投入，能在贫瘠的土壤中生长，使其成为生物柴油生产的有希望的原料[10]。同样，从蓖麻（Ricinus communis）中提取的蓖麻油在亚洲国家广泛种植，其油含量约为50%。蓖麻植物适应各种土壤条件，并能在不同的环境条件下生长[11]。提取油后，通常通过酯交换过程将这些油中的甘油三酯转化为具有适合发动机应用的热物理特性的甲酯[12]。尽管生物燃料在环境和可持续性方面具有多种优势，但它们的物理和化学性质与传统柴油燃料有所不同。诸如粘度、密度、辛烷值、闪点和硫含量等重要热物理性质会影响燃料的雾化、蒸发和在内燃机中的燃烧行为。一般来说，植物油的粘度大约是传统柴油燃料的10-17倍，这可能会影响喷射特性和喷射过程中的燃料雾化。因此，生物柴油通常通过酯交换来调整这些性质，以满足既定的燃料标准，如ASTM D6751[13]。在内燃机中，燃料以高速喷射的形式注入燃烧室。喷射形成的液滴动态对燃烧效率和排放特性起着关键作用。喷射后，气缸内依次发生多个过程：初次破碎、二次破碎、液滴蒸发，最后是燃烧。在初次破碎阶段，注入的液体喷射分解成相对较大的液滴[14,15]。这些液滴随后经历二次破碎，形成更适合快速蒸发的较小液滴。蒸发效率强烈依赖于液滴大小、喷射压力和燃料的热物理性质[16,17]。如果液滴在燃烧前没有完全蒸发，可能会发生不完全燃烧，导致发动机爆震、效率降低和排放增加[18]。因此，液滴蒸发是喷射燃烧过程中的一个关键现象。液滴的蒸发行为受多种机制的影响，包括来自周围热气体的热传递、蒸汽从液滴表面的质量扩散以及液滴在通过燃烧室时所经历的空气动力阻力。这些过程经常受到发动机气缸内湍流条件的影响。当燃料液滴通过高温高流速环境时，湍流增强了液滴与周围气体之间的热和质量传递。为了在数值模拟中捕捉这些效应，需要适当的湍流模型。已有许多研究使用数值和实验方法研究了液滴加热和蒸发[19,20,21,22]。

先前的研究表明，像麻风树油这样的生物柴油燃料可以在不进行重大发动机改造的情况下成功用于压缩点燃发动机，同时减少排放[23]。生物柴油燃料通常含有较低的硫和芳烃含量，从而提高了环境性能。由于这些特性，生物柴油作为一种有前景的替代燃料，正在汽车和能源应用中得到发展[24]。基于这些考虑，本研究使用数值模拟技术研究了生物燃料液滴的蒸发特性。在这项工作中，比较了不同环境温度下常规柴油燃料与麻风树油和蓖麻油生物柴油液滴的蒸发行为。分析重点关注两种液滴尺寸（20 μm和25 μm），并研究了蒸发过程中液滴直径、温度和速度的变化。数值模拟使用ANSYS Fluent 2024 R2中的计算流体动力学（CFD）方法进行，其中解决了质量、动量和能量的守恒方程，并采用了适当的湍流模型来捕捉发动机环境中的湍流效应。尽管已有许多研究探讨了生物柴油的燃烧和喷射行为，但在高发动机运行温度下对非食用生物燃料液滴蒸发特性的详细数值分析仍然有限。特别是，使用基于CFD的离散相模型对麻风树油和蓖麻油生物柴油液滴的比较蒸发行为的研究还不够充分。因此，本研究数值研究了麻风树油和蓖麻油生物柴油液滴的蒸发特性，并将它们与不同环境温度（623 K、823 K和973 K）下的常规柴油燃料进行了比较。分析了液滴尺寸（20 μm和25 μm）对液滴寿命、温度演变、速度衰减和蒸发行为的影响。

与之前主要研究常规柴油和生物柴油燃料液滴蒸发的研究（包括作者之前的工作）不同，本研究在重型柴油发动机条件下，对纯（100%）麻风树油和蓖麻油生物柴油液滴进行了详细的比较CFD研究，考虑了多种环境温度和液滴尺寸。此外，还使用经典D2定律分析了不同燃料和运行条件下的液滴蒸发行为，允许对液滴寿命、液滴直径回归和温度演变进行比较评估。这种方法为非食用生物柴油燃料的蒸发动态及其作为重型柴油发动机替代燃料的潜在适用性提供了见解。

**2. 材料与方法**
2.1. 控制方程
质量、动量、能量和物种传输的守恒方程控制着发动机气缸中燃料液滴的蒸发。这些方程描述了连续相（压缩空气）和离散相（燃料液滴）之间的相互作用。控制方程遵循Ansys Fluent中实现的标准公式，具体内容见于[16]。
2.1.1. 连续性方程
流场中的质量守恒表示为
?????? + ?·(??→??) = ????
(1)
其中????表示与液滴蒸发相关的质量源项。
2.1.2. 动量方程
动量守恒表示为
????(??→??) + ?·(??→??→??) = ???? + ?·(ˉ??) + ??→?? + →??
(2)
其中p是静压，ˉ??是应力张量，→??表示由于液滴-气体相互作用而产生的附加体力。
2.1.3. 能量方程
能量方程控制液滴与周围气体之间的热传递：
????(????) + ?·(→??(????+??)) = ?·(??????2????? ? ∑?????→????) + ???
(3)
其中??????2??表示有效热导率，???表示由于相变而产生的能量源。
2.1.4. 物种传输方程
蒸发燃料蒸汽的扩散和传输由下式描述：
????(??????) + ?·(??→??→????) = ??·→???? + ???? + ????
(4)
其中????表示物种j的质量分数。
2.2. 离散相模型
使用离散相模型（DPM）模拟液体燃料液滴的蒸发，该模型采用拉格朗日方法跟踪单个液滴。粒子力平衡方程控制液滴的运动：
??→??????→?? = ????(→???→????) + (???????)→??????
(5)
其中????表示作用在液滴上的阻力。
液滴与周围气体之间的热和质量传递决定了液滴的蒸发速率。
2.3. 湍流建模
由于发动机气缸内的雷诺数很高，湍流在液滴蒸发和混合中起着重要作用。在本研究中，采用了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）框架内的可实现k-ε湍流模型，因为它对射流和喷射流的预测能力较好[25]。湍流动能（k）及其耗散率（??）的传输方程表示为：
????(????) + ??????(????????) = ??????[(??+????????)????????] + ???? + ?????????+????
(6)
????(????) + ??????(????????) = ??????[(??+????????)????????] + ???????????????????????+√??????+??1????????????????+??1????????+??3????+????+????
(7)
湍流涡粘度计算为：
???? = ??????????2
(8)
2.4. 数值模型
有多种商业软件包可用于液滴蒸发模拟，包括OpenFOAM、Comsol、Star-CD、VECTIS和Fluent。本研究中使用了ANSYS Fluent 2024 R2进行数值计算。数值模型的详细信息见[26,27]。之前介绍的液滴蒸发模型在Ansys Fluent中实现，用于模拟柴油、麻风树油和蓖麻油的蒸发特性。Ansys Fluent采用有限体积方法进行上述燃料的蒸发建模。质量、能量和动量的守恒方程与离散相模型的传输方程以及可实现k-ε模型相连。该模型应用于表1中给出的发动机规格。

**表1. 发动机和喷射规格**
**数值设置和边界条件**
数值模拟使用商业CFD求解器ANSYS Fluent进行，基于有限体积方法。计算域内的湍流效应使用可实现k-ε湍流模型和可伸缩壁函数进行处理。模型常数设定为??2?? =1.9，湍流动能普朗特数为1，湍流耗散率普朗特数为1.2。能量和壁普朗特数均设为0.85，湍流施密特数为0.7。激活了物种传输以考虑蒸发燃料蒸汽在周围空气中的扩散。工作混合物由柴油-空气组成，计算域中考虑了五种体积物种。燃料喷射使用离散相模型（DPM）通过拉格朗日框架跟踪液滴来模拟。喷射器定义为圆锥型喷射器，具有两个喷射流和实心锥形喷射模式。喷射从?? =0 s开始，持续到0.003 s。外部喷射器半径设为2.9 ×10?? m，总燃料质量流量设为0.003 kg/s。入口边界条件指定为速度入口，垂直于边界的速度大小为0.1 m/s。入口处的湍流使用强度和粘度比方法定义，湍流强度为5%，湍流粘度比为10。对于物种边界条件，氧气质量分数设为0.15。这些数值设置使得模拟能够捕捉到柴油、麻疯树油和蓖麻油燃料滴在代表性的发动机运行条件下的蒸发特性。

2.5. 几何形状与网格划分
通常，柴油发动机中的活塞是碗形的。当燃料被喷入发动机气缸时，它会根据喷嘴孔的数量和喷射锥角在活塞碗内扩散。喷嘴孔的数量可以是4个、6个或8个。在目前的研究中，考虑使用了一个具有60°锥角的六孔喷嘴。这样，整个几何体可以被划分为六个对称的部分，由于所有六个部分中的喷射参数相同，因此可以用其中一个部分进行分析。因此，在目前的研究中，使用了整个几何体的1/6部分，并在图1中展示。图1显示了活塞头几何体的1/6部分；箭头指示了燃料喷射器喷嘴的位置，即液滴在燃烧室中开始雾化的地方。图1中的红色箭头指示了喷射位置。在发动机气缸中，喷嘴位于活塞的中心。喷嘴上有六个孔，每个孔向活塞的1/6部分喷射液体燃料。经过网格独立性研究后，选择了总计0.68百万个单元用于数值模拟。为了研究网格独立性，考虑了四种不同的网格类型，20微米柴油燃料滴的停留时间见表2。

2.6. 燃料性质
在本研究中，考虑了三种不同的燃料用于蒸发建模。其中两种是生物燃料——麻疯树油和蓖麻油，另一种是传统的柴油燃料。燃料的热物理性质影响其蒸发特性。柴油的性质数据来源于[17]，而麻疯树油和蓖麻油生物燃料的性质数据来源于[28,29]。麻疯树油和蓖麻油的组成分别被指定为JB-100和CD-100。这意味着这些组成中不含有柴油燃料，它们是纯生物燃料。柴油、蓖麻油和麻疯树油生物燃料的性质在表3中给出。不同国家的生物燃料性质可能有所不同。

2.7. 模型验证
本研究中使用的液滴蒸发数值模型在作者之前的研究[17]中已经过验证。在那项研究中，模型预测结果与Chauveau等人[19]以及Abramzon和Sirignano[30]报告的高精度实验和数值数据进行了对比。目前该模型被应用于柴油燃料滴，其标准化液滴直径的衰减作为标准化时间的函数进行了评估。预测结果与Shiadeh等人[31]的实验观察结果非常吻合，这归因于当前模型中包含了湍流效应，这是内燃机在高温高压条件下的一个重要特征。在针对柴油燃料滴进行验证之后，该模型进一步扩展到了Thumba生物燃料滴[17]。因此，经过验证的模型在这里被用来研究麻疯树油和蓖麻油生物燃料的蒸发行为，这两种生物燃料的热物理性质与柴油相似，使它们成为内燃机应用中蒸发和燃烧分析的合适候选者。此外，在结果部分还考察了多种燃料、温度和液滴尺寸下的??2定律行为。

3. 结果与讨论
分析了液滴直径、温度分布以及液滴速度的减小情况，以比较三种燃料在典型重型发动机参数下的燃烧室行为。所有情况下的总喷射持续时间为3毫秒。观察到，所有燃料的20微米和25微米液滴在指定的喷射时间范围内都完全蒸发了。分析温度分别为623 K、823 K和973 K。这些温度与[17,32]中考虑的高温运行条件一致。在柴油发动机的压缩冲程之后，温度达到623 K，在燃烧过程中，温度超过973 K。因此，使用这三个环境温度来研究柴油和生物燃料的蒸发特性。
在图2中，使用经典的??2定律绘制了20微米燃料滴的蒸发过程，其中标准化液滴直径的平方作为标准化时间的函数表示。根据??2定律，在扩散控制的蒸发过程中，液滴直径的平方随时间线性减小。结果显示，在大部分蒸发期间，蒸发过程主要受扩散控制。在初始阶段观察到轻微的线性偏差，这是由于蒸发过程达到准稳态之前的液滴加热阶段。标准化液滴直径的线性减小证实了所有测试燃料和温度下的蒸发过程遵循经典的??2定律。图中展示了三种燃料的20微米液滴衰减情况。值得注意的是，在623 K时，柴油燃料滴的蒸发时间比麻疯树油和蓖麻油燃料滴更长。如图所示，柴油燃料滴的停留时间大于麻疯树油和蓖麻油燃料滴。这表明在压缩冲程结束时，生物燃料比传统柴油燃料更早蒸发。在623 K时，麻疯树油和蓖麻油燃料滴的停留时间差异不大，而柴油燃料在停留时间上明显不同于这两种生物燃料。在更高的823 K温度下，观察到了相同的趋势。柴油燃料滴的停留时间再次长于生物燃料滴。随着环境温度升至973 K，各种燃料之间的差异变得很小，柴油、麻疯树油和蓖麻油的蒸发行为变得更加相似，尽管麻疯树油的20微米液滴蒸发时间仍然略短。

图3展示了使用??2定律绘制的25微米液滴的蒸发行为。对于柴油燃料，观察到了与20微米液滴相同的总体趋势。柴油燃料滴的停留时间比麻疯树油和蓖麻油生物燃料滴更长。在较低的623 K温度下，麻疯树油比蓖麻油和柴油更早蒸发。因此，即使在较大的液滴情况下，麻疯树油也比柴油和蓖麻油更早蒸发。当温度从623 K升高到823 K时，柴油燃料滴的蒸发时间仍然长于这两种生物燃料。尽管在823 K时柴油燃料与生物燃料之间的停留时间差异较小，但在该温度下生物燃料仍然表现出更快的蒸发特性。在823 K时，麻疯树油和蓖麻油燃料的停留时间仅略有差异，但麻疯树油的蒸发速度更快。因此，在823 K时，25微米液滴的蒸发过程中，麻疯树油生物燃料比柴油和蓖麻油燃料都更早蒸发。在973 K的最高温度下，三种燃料之间的差异变得更小，柴油、麻疯树油和蓖麻油的蒸发行为变得更加相似，尽管麻疯树油的20微米液滴蒸发时间仍然略短。

图4绘制了三种燃料的20微米液滴在三种不同温度下的??2定律蒸发行为。在623 K的较低环境温度下，液滴加热阶段在扩散控制蒸发开始之前起着重要作用。在这些条件下，蒸发行为受到燃料热物理性质（如表3所示）以及控制液滴运动和蒸汽扩散的传输过程的影响。由于蓖麻油生物燃料的粘度、沸点和汽化潜热显著较高，其蒸发速度较慢，这些特性增加了热量和质量传递的阻力。在当前模拟条件下，麻疯树油生物燃料的液滴衰减速度略快于蓖麻油和柴油。这种行为应被视为在特定发动机条件下热传递、蒸汽扩散和液滴传输过程耦合的结果，而不是单一热物理性质的作用。因此，麻疯树油液滴较早进入扩散控制蒸发阶段，导致??2定律分析中的液滴直径衰减趋势更陡峭。
??2定律图表揭示了两个重要的物理特征：首先，所有燃料都显示出初始的非线性区域，这对应于准稳态扩散控制蒸发开始之前的瞬态液滴加热阶段；其次，所有燃料的线性区域的斜率随环境温度显著增加。在623 K时，柴油、麻疯树油和蓖麻油之间的差异最为明显，但在823 K和973 K时逐渐减小，表明在较低温度下燃料性质的影响更为显著，而在较高温度下外部热传递和蒸汽扩散占主导地位。尽管麻疯树油的沸点和汽化潜热高于柴油，但当前CFD结果表明在类似发动机条件下其液滴寿命较短。这表明整体蒸发过程受液滴加热、对流热传递、蒸汽扩散和传输历史等多种因素的共同影响，而不仅仅是单一性质的结果。除了列出的热物理性质外，柴油和生物燃料之间的成分差异也可能影响整体蒸发行为。然而，在目前的研究中，观察到的蒸发顺序主要是通过CFD预测的??2定律回归、液滴寿命以及在相同边界条件下获得的温度历史来解释的。因此，麻疯树油在较低温度下蒸发更快的现象被认为是当前模拟中考虑的耦合传输过程的结果。目前的结果与文献中的发现一致，文献中报告称纯生物燃料滴的液滴寿命比纯柴油滴短约11%[33]。

图4绘制了三种燃料的20微米液滴在三种不同温度下的温度分布，这些分布显示了液滴在蒸发过程中吸收的最大温度与喷射时间的关系。燃料滴的完全蒸发对于充分燃烧是必要的。内燃机中的不完全蒸发会导致爆震，从而降低热效率。这些温度分布显示了液滴温度相对于环境温度的升高以及喷射时机的效应。值得注意的是，这些分布与液滴直径衰减的历史非常吻合。图中显示的时间与图2中的时间相同。柴油燃料滴达到的最高温度为447 K，这也是柴油滴的沸点。在623 K时，柴油燃料在大约1毫秒内达到最高温度，而麻疯树油和蓖麻油在大约1.5毫秒内达到相同温度。在623 K时，麻疯树油的停留时间短于柴油和蓖麻油燃料。当温度从623 K升高到823 K时，生物燃料的温度分布与623 K时相比发生了变化。柴油燃料的沸点分布保持不变，为447 K。然而，蓖麻油和麻疯树油达到的最高温度分别为674 K和632 K。因此，生物燃料的温度比柴油燃料高出约143 K。这是因为生物燃料的汽化和沸点高于柴油。值得注意的是，尽管生物燃料的汽化和沸点较高，但在某些情况下它们的停留时间仍比柴油短。当温度升高到973 K时，生物燃料和柴油之间的蒸发率差异较小。总体而言，即使在较高温度下，麻疯树油的20微米液滴蒸发时间仍较短。在图5中，展示了25微米大小的柴油和生物燃料滴体的温度历史以及注射时间。最大温度的趋势与20微米滴体相同。如图4所示，所有燃料在所有温度下达到的最大温度都是相同的。再次值得注意的是，滴体的温度历史与喷射过程中的速度衰减相匹配。柴油滴体在大约1毫秒时达到最大温度。然而，蓖麻油和麻疯树燃料的停留时间更长，达到623K。显然，在623K时，较大滴体的停留时间比小滴体长。在823K时，麻疯树燃料的停留时间在三种燃料中最短。当温度升高到973K时，由于之前的原因，蓖麻油燃料达到最高温度。在较高温度下，所有燃料的停留时间有轻微差异，但麻疯树燃料仍然显示出最短的停留时间和最高的蒸发率。

图5显示了25微米滴体的温度曲线。这些温度曲线再次支持了滴体直径随时间的衰减。尽管由于柴油燃料的沸点较低，其达到特征温度的时间比两种生物柴油早，但整体蒸发历史表明，生物柴油滴体的后续衰减行为受到模拟发动机环境中耦合传输过程的强烈影响。

滴体速度是燃料蒸发过程中的一个重要参数。当滴体从喷嘴中雾化出来时，它们会受到阻力和湍流的影响。在压缩冲程接近压缩结束时，即活塞接近发动机气缸上止点之前，滴体会遇到来自压缩空气的横向流动。在高温高压条件下，滴体周围会产生湍流。根据[17]的报告，滴体的初始速度设为35米/秒。图6将滴体速度作为喷射时间的函数绘制出来。下面显示的速度曲线与[17]中的结果一致。图6展示了不同温度下所有燃料的20微米滴体速度的减少情况。在623K时，柴油、麻疯树和蓖麻油的最低速度分别为10.81米/秒、9.32米/秒和8.50米/秒。在823K时，柴油、麻疯树和蓖麻油的速度分别为10.59米/秒、8.06米/秒和8.20米/秒。观察到随着温度的升高，麻疯树燃料的速度比柴油和蓖麻油的速度降低。在973K时，这一趋势仍然存在，柴油、麻疯树和蓖麻油的速度分别为10.14米/秒、8.12米/秒和8.13米/秒。在所有情况下，所有燃料滴体的最终速度几乎相同。最终速度之间没有显著差异，但对于20微米滴体，柴油和生物燃料之间的速度差异是明显的。

图6显示了20微米滴体的速度曲线。图7展示了25微米滴体的速度衰减情况。柴油滴体的最终速度为0.5954米/秒，远低于623K时20微米滴体的速度，因为较大滴体的停留时间更长，因此速度较低。同样，在623K时，麻疯树和蓖麻油的最终速度分别为3.33米/秒和4.27米/秒。因此在623K时，麻疯树滴体的速度最低。在823K的较高温度下，柴油燃料的速度为0.7460米/秒，而麻疯树和蓖麻油的速度分别为3.76米/秒和3.62米/秒。在823K时，麻疯树的速度略高于蓖麻油。在623K和823K的温度下，柴油的速度远低于麻疯树和蓖麻油，尽管麻疯树滴体的蒸发速度更快。当温度升高到973K时，所有燃料最终速度的差异最小。如图7所示，25微米柴油、麻疯树和蓖麻油滴体的最终速度分别为2.35米/秒、3.76米/秒和2.69米/秒。

图8展示了20微米滴体的温度等高线图。所有温度下的喷雾模式几乎相同。红色区域表示环境温度，分别对应623K、823K和973K三种情况。其他蓝色和绿色区域表示滴体的分布。如图中蓝色等高线所示，柴油燃料在623K、823K和973K时的最低温度分别为571K、712K和806K。等高线图案没有太大差异，但温度差异是由于环境温度较高造成的。同样，对于麻疯树生物燃料，最低温度分别在623K、823K和973K时的环境温度下为568K、698K和779K。而对于蓖麻油生物燃料，最低温度分别在623K、823K和973K时的环境温度下为571K、704K和786K。从温度等高线可以看出，麻疯树生物燃料在蓝色区域（即温度最低的区域）达到最高温度。由于蓖麻油的沸点和蒸发点高于其他两种燃料，它可以吸收更多的热量，在等高线和温度历史中显示出更高的温度曲线。从等高线可以看出，623K时蓖麻油的蓝色区域比其他两种燃料更大。在823K和973K的较高温度下，蓝色区域几乎相同，但滴体温度曲线中的温度差异仍然明显。

图9展示了所有燃料的25微米滴体的温度等高线图。柴油燃料的最低温度分别为589K、745K和851K。同样，麻疯树生物燃料在623K、823K和973K时的最低温度分别为588K、742K和841K。相比之下，蓖麻油生物燃料在相同温度下的最低温度分别为591K、747K和849K。25微米滴体的绿色和黄色区域在623K低温时更大，随着环境温度的升高而减小。虽然25微米大滴体喷雾的最低温度差异不大，但如图9所示，最大温度的差异在滴体温度曲线中更为明显。

4. 结论

在这项研究中，使用ANSYS Fluent中的计算流体动力学数值模拟了麻疯树和蓖麻油生物柴油滴体的蒸发特性。求解了质量、动量和能量的控制守恒方程，并结合了可实现的k-ε湍流模型来捕捉类似发动机条件下的滴体动态。考虑了两种初始滴体直径（20微米和25微米），以评估滴体大小对蒸发行为的影响。结果表明，环境温度在决定燃料滴体的蒸发速率方面起着主导作用。在623K的较低温度下，不同燃料之间的蒸发行为存在明显差异。在这种情况下，麻疯树生物柴油的蒸发速率最快，其次是蓖麻油生物柴油，而柴油的蒸发速率最慢。然而，当环境温度升高到823K和973K时，燃料之间的蒸发行为差异逐渐减小，表明在高温下温度效应超过了燃料性质的差异。滴体大小也会影响蒸发过程。较大的滴体（25微米）由于质量较大且在周围气体中的停留时间较长，因此具有更长的蒸发时间和更低的最终速度。尽管如此，无论滴体大小如何，燃料之间的相对蒸发趋势保持一致，特别是在较低的环境温度下，麻疯树生物柴油通常显示出比蓖麻油柴油更好的蒸发特性。总体而言，研究表明，生物柴油燃料，特别是麻疯树生物柴油，在多种工作条件下的蒸发特性可与柴油相当或更好。随着环境温度的升高，柴油和生物柴油的蒸发行为变得越来越相似。这些发现表明，由于其可再生性和适用的热物理性质，生物柴油燃料是压缩点火发动机的有希望的替代品。这里的比较分析通过澄清在相同的重型柴油发动机条件下纯麻疯树和蓖麻油生物柴油滴体的独特蒸发行为，扩展了之前的滴体蒸发研究。