單液滴碰撞與噴霧現(xiàn)象

摘 要：在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油噴霧問題不僅影響了燃燒前的混合物制備，還影響了發(fā)動(dòng)機(jī)性能和污染物排放，研究噴霧與壁面碰撞過程中的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)問題對(duì)燃料噴射系統(tǒng)的發(fā)展起著推動(dòng)作用。本文將對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于內(nèi)燃機(jī)噴霧壁面碰撞的研究進(jìn)行總結(jié)，試圖用單液滴碰撞的基本原理來(lái)描述噴霧與壁面相互作用的基本原理。

關(guān)鍵詞：燃油噴霧；流體動(dòng)力學(xué)；熱力學(xué)；單液滴碰撞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.185

0 引言

燃油噴射到配有噴射系統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)表面上是影響燃燒前混合物準(zhǔn)備的根本問題，也影響了發(fā)動(dòng)機(jī)性能和污染物排放。為了了解內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中噴霧碰撞的物理特性，研究者們進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究，他們對(duì)噴射系統(tǒng)的開發(fā)作出了寶貴貢獻(xiàn)，該系統(tǒng)能夠滿足嚴(yán)格的燃料消耗和排放目標(biāo)。但他們僅研究了單個(gè)參數(shù)和工作條件之間復(fù)雜的相互作用，難以系統(tǒng)化。噴霧現(xiàn)象的準(zhǔn)確描述要求詳細(xì)記錄液滴碰撞后的尺寸、速度和數(shù)量的變化，以及液體的性質(zhì)和表面形態(tài)。然而，實(shí)際的燃料噴射系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，已有的物理模型是在簡(jiǎn)化流體的基礎(chǔ)研究中推斷出來(lái)的。盡管噴霧不能完全等同于單液滴的總和，但單液滴碰撞的影響已被廣泛用于描述噴霧碰撞行為并預(yù)測(cè)其結(jié)果。本文將對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于內(nèi)燃機(jī)噴霧壁面碰撞的研究進(jìn)行總結(jié)，試圖用單液滴碰撞的基本原理來(lái)描述噴霧與壁面相互作用的基本原理。

1 液滴與冷壁面之間的相互作用

當(dāng)液滴撞擊未加熱的剛性干壁面時(shí)，其碰撞行為取決于碰撞時(shí)的邊界條件（包括液體和表面特性）。根據(jù)Rioboo等人[1]的研究可將碰撞行為分為粘附、鋪展、飛濺和回彈，并且對(duì)飛濺行為作了詳細(xì)分析。

確定了液滴碰撞后可能發(fā)生的變化，下一步是確定液滴變化的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)通?；谟脕?lái)描述作用在液滴上的力的相對(duì)大小的無(wú)量綱量，最常見的是雷諾數(shù)（），韋伯?dāng)?shù)（），奧內(nèi)佐格數(shù)（），拉普拉斯數(shù)（）和毛細(xì)管數(shù)（）。

這個(gè)參數(shù)是由Stow和Hadfield[2]首先提出的，后來(lái)被Mundo等人[3]證實(shí)，目前在文獻(xiàn)中多被用來(lái)預(yù)測(cè)飛濺行為的發(fā)生。然而該參數(shù)不能用來(lái)解釋液滴與粗糙壁面碰撞時(shí)液-固界面處的復(fù)雜變化，難以為所有的碰撞行為找到唯一標(biāo)準(zhǔn)Kc。為了解決這個(gè)問題，Cossali等人根據(jù)的擬合定律對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，其中是無(wú)量綱粗糙度。

2 傳熱機(jī)制

表面溫度對(duì)噴霧現(xiàn)象的分析帶來(lái)了更多的復(fù)雜性，在這種情況下，研究們面臨的一個(gè)重要問題是如何準(zhǔn)確地將傳熱模型引入相互作用的流體力學(xué)機(jī)制中。液滴與熱壁面碰撞的過程可以根據(jù)壁面過熱度（）分為四種機(jī)制：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過度沸騰和膜態(tài)沸騰。一直以來(lái)，一些研究者們對(duì)液體屬性、潤(rùn)濕性、表面滲透性和碰撞角度的影響進(jìn)行了參數(shù)研究，其他研究者也分析了碰撞變形和二次液滴的特點(diǎn)，認(rèn)為不同的傳熱機(jī)制會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

從單液滴實(shí)驗(yàn)中推斷出熱傳導(dǎo)效應(yīng)的知識(shí)非常重要，可以由此設(shè)計(jì)出精確的方法來(lái)計(jì)算碰撞時(shí)的傳熱。Bernardin等人[4]認(rèn)為熱傳遞與液滴的徑向速度有關(guān)，相反，Pikkula等人[5]認(rèn)為傳熱速率主要受碰撞時(shí)慣性力和表面張力之比影響（Weber數(shù)）。影響噴霧與壁面?zhèn)鳠岬膮?shù)實(shí)際上取決于問題邊界條件的復(fù)雜方式，而邊界條件又取決于實(shí)驗(yàn)或操作的條件。

3 局部傳遞系數(shù)對(duì)噴霧影響的相關(guān)性

在前人的實(shí)驗(yàn)中，大多通過測(cè)量壁面的瞬時(shí)溫度研究了噴霧碰撞的局部傳熱，這些實(shí)驗(yàn)為傳熱傳質(zhì)學(xué)的發(fā)展提供了有效的參考數(shù)據(jù)。傳熱系數(shù)是關(guān)于三相體的復(fù)雜函數(shù)，在Eckhause和Reitz[6]的研究中，最簡(jiǎn)單的形式是基于單液滴碰撞的邊界層類比，碰撞過程中會(huì)形成一個(gè)平均厚度的薄液膜：

對(duì)于汽油噴霧，Panao和Moreira[9]推導(dǎo)出a=3.4×10-5，c=1.51，e =-0.254，并且他們發(fā)現(xiàn)普朗特?cái)?shù)和韋伯?dāng)?shù)的影響可以忽略不計(jì)，即b=d=0。該式描述了噴霧現(xiàn)象中發(fā)生的復(fù)雜相互作用，使得傳熱機(jī)制與核態(tài)沸騰中觀察到的明顯不同。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于單液滴的實(shí)驗(yàn)有大量的文獻(xiàn)，主要是為了揭示各項(xiàng)參數(shù)對(duì)噴霧現(xiàn)象中的流體動(dòng)力學(xué)的影響：液體的表面張力、粘度、密度和溫度；單個(gè)液滴的直徑、速度和碰撞角度；壁面的粗糙度和溫度等，這些實(shí)驗(yàn)旨在確定相互作用的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)并量化液滴碰撞的結(jié)果。對(duì)于單液滴碰撞的熱傳導(dǎo)問題，研究者們根據(jù)不同的熱傳遞狀態(tài)下的液滴行為設(shè)計(jì)了幾種模型。噴霧現(xiàn)象中的熱傳遞通常通過牛頓的對(duì)流定律來(lái)量化，傳熱系數(shù)的相關(guān)性主要通過噴霧實(shí)驗(yàn)憑經(jīng)驗(yàn)獲得。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：孫韞（1993-），女，江蘇揚(yáng)州人，研究生在讀，研究方向：氣液兩相流直接數(shù)值計(jì)算。endprint