納米流體燃料液滴的形成和脫落特性

郭 楓，黃雪峰，李盛姬，何蘭蛟

(1.杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

納米流體燃料液滴的形成和脫落特性

郭 楓1，黃雪峰1，李盛姬2，何蘭蛟1

(1.杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

以納米鋁(50 nm)-乙醇納米流體燃料為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究了流動(dòng)速度、粒子載荷率和毛細(xì)管管徑等對(duì)液滴形成和脫落過程的影響.當(dāng)流速較低時(shí)，液滴形成過程中存在沿毛細(xì)管外表面的回升潤濕現(xiàn)象.提高流速，納米流體燃料流體由周期性滴狀下落變?yōu)闇?zhǔn)周期至射流狀.與純乙醇相比，納米流體燃料液滴的形成時(shí)間更短，液滴高度增長更快.

納米流體；納米鋁；液滴形成；液滴脫落；液體燃料

0 引 言

納米流體是把納米金屬或非金屬粉體等分散到傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)[1].由于其具有優(yōu)異的傳熱、傳質(zhì)、及光學(xué)特性[2-4]，因此受到廣泛應(yīng)用.納米金屬粉末本身為具有高燃燒熱值的燃料，當(dāng)基液為醇、油類燃料時(shí)，便可制成納米流體燃料.納米流體燃料具有高的能量釋放率以及良好的點(diǎn)火和燃燒特性[5-7].納米流體燃料在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置中具有巨大的應(yīng)用潛力，但其燃燒模式均為液滴燃燒，因此納米流體燃料液滴的形成和脫落是其燃燒特性研究的重要前提之一.

在毛細(xì)管末端形成的液滴形貌、頸部及斷裂位置與軸線上速度、內(nèi)部渦環(huán)形成與湮滅相關(guān)[8]，而且液滴內(nèi)部速度、剪切率和粘度分布不同[9].當(dāng)流體為粘塑性流體時(shí)，其液滴形成和脫落表現(xiàn)出不同的特性[10]，粘性和波數(shù)對(duì)脫落“衛(wèi)星”液滴數(shù)量有較大影響[11].針對(duì)納米流體燃料液滴形成和脫落中的基本問題，本文采用微泵推動(dòng)納米鋁-乙醇納米流體燃料在毛細(xì)管末端形成液滴，利用高速攝像儀捕捉液滴形成和脫落過程，采用數(shù)字圖像處理方法提取特征參數(shù)，分析了流動(dòng)速度、粒子載荷率、毛細(xì)管管徑等對(duì)形成的主液滴的時(shí)間、形狀、大小、頸部位置和尺寸、液滴高度、脫落表面波幅值和“衛(wèi)星”液滴等的影響.

1 液滴形成和脫落原理

流體在毛細(xì)管末端由于慣性力、表面張力、重力和粘性力的共同作用下形成球冠，然后增長為半球形、梨形、保齡球形.當(dāng)流體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，液滴出現(xiàn)頸部標(biāo)志.最小頸部的直徑為DN，與毛細(xì)管末端的距離為LN，液滴最底部距離毛細(xì)管末端的長度(滴液高度)為L.由于液滴的不穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)，頸部直徑逐漸減小，與毛細(xì)管末端的距離增加，滴液高度增大.

2 液滴形成和脫落實(shí)驗(yàn)

2.1 納米流體燃料制備

基液燃料選用無水乙醇，納米顆粒選用金屬鋁.納米鋁粉由上海超威納米科技有限公司生產(chǎn)，為球形顆粒，其平均粒徑50 nm，氧化層厚度約為3 nm～5 nm.稱量若干的納米鋁粉，量取100 ml的無水乙醇，將鋁粉置入乙醇中，采用超聲振蕩30 min，使納米顆粒均勻分散在乙醇溶液中.由于納米鋁粉在乙醇中具有良好的分散能力[13]，因此未使用表面活性劑或任何其他的添加劑.配置的納米鋁-乙醇的粒子載荷率分別為1.0 mg·ml-1，2.0 mg·ml-1，3.0 mg·ml-1，5.0 mg·ml-1和10.0 mg·ml-1.納米鋁粉懸浮約1 h后開始沉降和團(tuán)聚，因此超聲振蕩結(jié)束并冷卻10 min后立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則由于納米鋁粉的沉降和團(tuán)聚導(dǎo)致出現(xiàn)較大的實(shí)驗(yàn)誤差.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，流體通過安裝在微泵(浙江史密斯醫(yī)學(xué)儀器有限公司，雙道微量注射泵WPZS-50F6)上的注射器推動(dòng)，流經(jīng)軟管到達(dá)毛細(xì)管，在毛細(xì)管末端產(chǎn)生液滴.毛細(xì)管內(nèi)徑分別為300 μm，500 μm和1 000 μm，其對(duì)應(yīng)的外徑分別為500 μm，700 μm和1 300 μm.流體的流量可通過微泵進(jìn)行精確控制，其流量調(diào)節(jié)范圍為0.1 ml·h-1～1 200.0 ml·h-1.

通過高速攝像儀(美國Phantom公司，M-310)拍攝液滴，利用自編程的數(shù)字圖像處理技術(shù)提取特征參數(shù).使用的最高幀率為35 000 fps，像素為360×240，分辨率為1.0 μm/像素，尺寸測(cè)量采用顯微標(biāo)尺標(biāo)定法.由于主液滴為單顆液滴，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，因此，采用圖像處理方法來計(jì)算主液滴的等效粒徑，即Dd=4Sd/Ld，其中Sd和Ld為主液滴的面積和周長.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 納米流體燃料液滴的形成和脫落過程

3.1.1 縮頸和脫落

圖2為典型的液滴形成中的縮頸和脫落過程.納米流體粒子載荷率為5.0 mg·ml-1，毛細(xì)管內(nèi)徑為300 μm，毛細(xì)管內(nèi)的流速約為3.93 μm·s-1.環(huán)境氣體為常溫常壓下的空氣，處于自然對(duì)流狀態(tài).流體在微泵的推動(dòng)作用下，在毛細(xì)管末端形成穩(wěn)定的保齡球狀，如圖2(a)所示.此時(shí)，懸掛液滴的頸部直徑與毛細(xì)管外徑相同，表明流體潤濕了毛細(xì)管底部壁面.

隨著流體不斷注入，液滴與毛細(xì)管之間出現(xiàn)頸狀的液橋，如圖2(b)所示，流體通過液橋進(jìn)入下端的液滴.液滴不斷降低，頸部液橋直徑逐漸減小，如圖2(c)―(f)所示，最小頸部位置向下移動(dòng)直至液橋第一次斷裂，如圖2(g)所示，斷裂位置靠近脫落的主液滴.頸部液橋斷裂時(shí)，主液滴發(fā)生振蕩.而與毛細(xì)管末端相連的頸部液橋底部，微泵依然連續(xù)地通過頸部液橋注入流體，因此底部的微小液滴逐漸增大，如圖2(h)所示，最后導(dǎo)致液橋發(fā)生第二次斷裂，如圖2(i)所示，斷裂位置靠近毛細(xì)管末端.第二次斷裂后的上部分流體繼續(xù)收縮至毛細(xì)管末端，為下一滴液滴的形成做準(zhǔn)備.而下部分頸部液橋收縮為一顆球形液滴，即“衛(wèi)星”液滴，如圖2(j)所示，也可能再次發(fā)生斷裂形成多顆“衛(wèi)星”液滴.

圖2 內(nèi)徑為300 μm毛細(xì)管末端的納米流體燃料液滴縮頸和脫落時(shí)刻

純乙醇液滴的脫落過程與納米鋁-乙醇液滴相似.選擇頸部液橋形成后欲發(fā)生變形的時(shí)刻作為零時(shí)刻，主液滴脫落的時(shí)刻為終點(diǎn)時(shí)刻，最小頸部直徑和滴液高度的變化如圖3所示.

圖3 納米流體與純乙醇燃料液滴形成和脫落過程

無論是納米流體燃料還是純乙醇燃料，其最小頸部直徑都呈指數(shù)形式衰減，而液滴高度呈線性增加.相對(duì)于純乙醇燃料，納米流體燃料形成的液滴時(shí)間更長，高度和長寬比更大、球形度更小.由于納米鋁顆粒的密度大于乙醇，因此納米流體燃料的密度大于純乙醇燃料的密度，在相同體積情況下納米流體燃料液滴的重力更大，導(dǎo)致液滴更加細(xì)長.在頸部液橋出現(xiàn)的初始階段，納米流體燃料與純乙醇燃料的最小頸部直徑相當(dāng)，而且變化很小.隨著液滴體積的增加，納米流體燃料的頸部直徑比純乙醇燃料的衰減更快.

基于納米鋁-乙醇納米流體燃料和純乙醇燃料形成的主液滴直徑分別為毛細(xì)管外徑的3.95倍和3.85倍，“衛(wèi)星”液滴直徑分別為毛細(xì)管外徑的1/8和1/9.可見，添加的納米鋁對(duì)液滴密度、表面張力和粘性系數(shù)產(chǎn)生較大影響[14-15]，造成主液滴和“衛(wèi)星”液滴直徑的增大.

3.1.2 回潤現(xiàn)象

在低流速時(shí)，可清楚觀察到液滴在毛細(xì)管外表面的回升潤濕現(xiàn)象，如圖4所示.納米流體粒子載荷率為5.0 mg·ml-1，毛細(xì)管內(nèi)徑為300 μm，流速為0.090 mm·s-1.在液滴形成初始階段，毛細(xì)管末端出現(xiàn)半球狀液滴，如圖4(a)所示，此后滴液逐漸回升潤濕毛細(xì)管外表面，如圖4(b)所示.隨著流體的注入，潤濕的表面擴(kuò)大，如圖4(c)—(h)所示.潤濕面積的大小取決于毛細(xì)管的粗糙度，即受表面張力控制.當(dāng)液滴的重力逐漸達(dá)到并超過粘性力和表面張力的作用時(shí)，潤濕毛細(xì)管外表面的液滴逐漸下滑至毛細(xì)管末端，如圖4(i)—(l)所示.

圖4 低流速時(shí)，納米鋁-乙醇納米流體燃料液滴的形成初始階段的回潤現(xiàn)象

3.1.3 過渡態(tài)

當(dāng)流速增大到一定程度，在毛細(xì)管末端不能像低流速時(shí)產(chǎn)生周期性的滴狀形液滴，而是具有一定長度的圓柱形液柱，在液柱末端產(chǎn)生非周期性的滴狀形液滴.由于流動(dòng)狀態(tài)還未滿足射流條件，因此稱該流動(dòng)狀態(tài)為滴狀向射流過渡的過渡態(tài).圖5為過渡態(tài)的典型案例，毛細(xì)管和環(huán)境參數(shù)與圖3相同，流速為0.723 mm·s-1.為了清晰地呈現(xiàn)流體的流動(dòng)狀態(tài)，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取出流體的輪廓.圖5為液滴形成的某一個(gè)周期，納米流體從產(chǎn)生圓柱形液柱至液柱末端液滴脫落，周期為7.742 ms.圖5(a)為產(chǎn)生的圓柱形液柱，其長度為毛細(xì)管外徑的2.7倍，直徑略小于毛細(xì)管外徑，表明在毛細(xì)管末端壁面的潤濕性減小.逐漸從圖5(b)—(h)形成一個(gè)半波，從圖5(i)—(p)形成一個(gè)全波.

圖5 納米鋁-乙醇納米流體燃料液滴形成和脫落過渡態(tài)中，不同時(shí)刻的表面波增長

假設(shè)液柱底部的正對(duì)稱表面波如圖6(a)所示，在相位φ=2nπ，n=0，±1，±2，…時(shí)，其最大幅值為Amax(+)，在相位φ=2nπ+π，n=0、±1、±2、…時(shí)，其最小幅值為Amin(-).圖6(b)為最大幅值的增長率AmaxR-1，擬合后可知表面波增長率ω=0.378，波長λ≈2Do.

圖6 納米流體燃料液滴形成過程中過渡態(tài)表面波變化情況

3.1.4 射流

當(dāng)流速進(jìn)一步提高，毛細(xì)管末端不再出現(xiàn)滴狀液滴，而是形成圓柱形液柱，其長度會(huì)達(dá)到毛細(xì)管外徑的10倍以上.由于液柱與環(huán)境的相互作用，在液柱末端依然形成滴狀形的微小液滴，液滴的直徑比毛細(xì)管外徑稍大，遠(yuǎn)小于滴狀形液滴的直徑.對(duì)于納米流體粒子載荷率為5.0 mg·ml-1，毛細(xì)管內(nèi)徑為300 μm，速度為0.747 mm·s-1時(shí)，毛細(xì)管末端的流體呈射流狀.

3.2 流體流動(dòng)速度對(duì)液滴形成和脫落的影響

流體流動(dòng)速度的不同將導(dǎo)致液滴脫落時(shí)主液滴直徑、“衛(wèi)星”液滴的大小和數(shù)量呈現(xiàn)出顯著差異.當(dāng)流體流動(dòng)速度提高至0.531 mm·s-1，液滴重力迅速增加，超過毛細(xì)管外表面的粘性力和液滴表面張力，導(dǎo)致回潤現(xiàn)象消失.圖7為不同流速時(shí)脫落的液滴，脫落的主液滴體積或直徑基本沒有變化，見圖7(a)—(f).當(dāng)流動(dòng)速度提高至0.511 mm·s-1，主液滴的形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀，如圖7(g)和圖7(h)所示，且直徑減小.圖7(i)—(l)中主液滴為葫蘆狀，而后逐漸融合為一顆液滴.圖8為主液滴尺寸隨流速變化的數(shù)據(jù)曲線.當(dāng)流速低于第一臨界速度時(shí)，主液滴的直徑為毛細(xì)管外徑的5.4倍；當(dāng)流速略大于第二臨界速度時(shí)，主液滴的直徑為毛細(xì)管外徑的2.4倍；當(dāng)流速遠(yuǎn)大于第二臨界速度時(shí)，主液滴的直徑小于毛細(xì)管外徑.由于納米流體在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)不同，且環(huán)境條件存在差異，因此與倍率1.92相比相差較大.

圖7 不同流速時(shí)，毛細(xì)管末端脫落的主液滴形態(tài)和尺寸

圖8 主液滴尺寸隨流體流動(dòng)速度的變化曲線

3.3 粒子載荷率對(duì)液滴形成和脫落的影響

納米流體的粒子載荷率不同，其密度、表面張力和粘性均會(huì)發(fā)生改變，因此液滴形成和脫落會(huì)受到影響.根據(jù)文獻(xiàn)[15]的表面張力系數(shù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)于納米鋁-乙醇納米流體，當(dāng)粒子載荷率小于1.0 %，表面張力呈現(xiàn)不規(guī)則變化.圖9為不同粒子載荷率時(shí)最小頸部直徑和滴液高度隨時(shí)間的變化情況.可以看出，純乙醇液滴形成時(shí)間較納米流體液滴的形成時(shí)間長，當(dāng)粒子載荷率提高后，液滴形成時(shí)間、最小頸部直徑和滴液高度均呈現(xiàn)不規(guī)則的變化.

3.4 毛細(xì)管管徑對(duì)液滴形成和脫落的影響

納米鋁粒子載荷率為5.0 mg·ml-1、流速為3.93 μm·s-1時(shí)，在3種不同管徑的毛細(xì)管末端的液滴形成過程中最小頸部直徑和滴液高度變化情況如圖10所示.可以看出，無論哪種管徑，液滴形成和脫落過程中，液滴高度均呈線性地增加，而最小頸部液橋直徑均呈指數(shù)衰減[8-9].隨著毛細(xì)管管徑的增大，最小頸部直徑和滴液高度增加，液滴縮頸到主液滴脫落的時(shí)間加長，分別為12.9 ms，19.1 ms和28.0 ms.在納米流體燃料相同的物性參數(shù)條件下，毛細(xì)管管徑的增大，引起納米流體燃料與毛細(xì)管的接觸面積增加，從而表面粘性力增加，導(dǎo)致脫落所需的平衡重力增大，因此脫落時(shí)間更長，且主液滴直徑更大.

圖9 不同粒子載荷率時(shí)，納米流體燃料液滴的形成過程

圖10 不同管徑時(shí)，納米流體燃料液滴的形成過程

4 結(jié)束語

納米鋁-乙醇納米流體燃料在毛細(xì)管末端的液滴形成和脫落的典型過程與純乙醇液體相似，其形成和脫落狀態(tài)主要受流速的控制.當(dāng)流速較低時(shí)，存在回潤現(xiàn)象，流體在毛細(xì)管末端呈周期性的滴狀；當(dāng)流速較高時(shí)，流體呈射流狀；介于兩者之間時(shí)，為準(zhǔn)周期或非周期性的過渡態(tài).在過渡態(tài)，圓柱液體呈正對(duì)稱表面波形式，其最大幅值隨時(shí)間呈指數(shù)增長.納米顆粒的添加縮短了液滴的形成時(shí)間.

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DropletFormationandPinch-offCharacterisiticsofNanofluidFuel

GUO Feng1, HUANG Xuefeng1, LI Shengji2, HE Lanjiao1

(1.SchoolofScience,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.CollegeofMaterialsandEnvironmentalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The droplet formation and pinch-off of nano-aluminum(50 nm)-ethanol nanofluid fuel in capillary were investigated experimentally. The effects of velocity of flow, particle loading rate and capillary tube diameter on the droplet formation and pinch-off were analyzed. Experimental results show that, at low velocity, droplets will wetting the outer surface of capillary. As the velocity of flow increases, the transition of from periodic dripping to jetting through non-periodic can be observed. Compared to the pure ethanol, the formation time of the nanofluid fuel droplets is shorter, and droplet height increases more quickly.

nanofluid; nano-aluminum; droplet formation; droplet pinch-off; liquid fuel

10.13954/j.cnki.hdu.2017.06.015

2016-12-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51506041, 51276053)；浙江省自然科學(xué)基金資助(LY15E060006)

郭楓(1986-)，男，河南開封人，碩士研究生，能源機(jī)械裝備及自動(dòng)化.通信作者：黃雪峰副教授，Email:xuefenghuang@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2017)06-0079-07