氬氫氛圍下氣態(tài)氧噴射的噴射特性研究*

鄭嘉鑫，龔寅春，鐘慧平，鄧 俊，李理光，

（1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

前言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化和能源供給安全問(wèn)題，為交通運(yùn)輸巨大的能源需求尋找一種新型的可再生的清潔燃料具有越來(lái)越重要的意義。氫氣作為一種既可以通過(guò)電解水獲得，也可以通過(guò)燒堿、焦炭工業(yè)中以副產(chǎn)物的形式獲得的來(lái)源廣泛［1］的零碳清潔能源，同時(shí)具有燃燒產(chǎn)物清潔和終端使用效率高的優(yōu)點(diǎn)，擁有巨大的應(yīng)用潛力。若能將氫氣作為燃料在內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行高效的運(yùn)用，則將會(huì)極大地緩解交通運(yùn)輸帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

針對(duì)氫氣在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用，研究表明若使用氫氣和空氣直接混合燃燒做功，將會(huì)產(chǎn)生大量的NOx氣體［2-3］。針對(duì)這一問(wèn)題，Robert W.Dibble教授［4］提出了一種全新的氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念：使用氬氣（Ar）作為工質(zhì)，通過(guò)純氧（O2）代替空氣與氫氣（H2）混合燃燒。一方面通過(guò)排除氮?dú)鈪⑴c燃燒反應(yīng)杜絕了NOx氣體的生成，另一方面理論上可大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。這是由于，氬氣的比熱比為1.67高于空氣的1.34，而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率計(jì)算公式η＝1-ε1-κ，比熱比和壓縮比的提高均能使發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率提升［5］。Kuroki等［6］在一臺(tái)四缸點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)上增加了分離循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行了氬氣半循環(huán)/全循環(huán)的工作試驗(yàn)，驗(yàn)證了純氧和氫氣在氬氣氛圍中的燃燒做功可以使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到43%左右的熱效率。

目前對(duì)氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)這一概念的研究，主要集中于內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)［4，6-9］，而對(duì)氣體射流基礎(chǔ)特性的相關(guān)研究較少，這限制了氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)噴射策略的優(yōu)化。氧氣相較于氫氣擁有更高的分子質(zhì)量，根據(jù)理論上的氣體噴射規(guī)律［10］，重質(zhì)氣體向輕質(zhì)氣體噴射時(shí)，可在相同時(shí)間內(nèi)卷吸更多的環(huán)境氣體，這也意味著更好的混合效果。對(duì)比氫、氧的噴射效果，可為氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇和優(yōu)化改進(jìn)噴射策略提供理論基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步發(fā)掘氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。針對(duì)這一問(wèn)題，鄧俊等［11］基于仿真的方法，對(duì)氫氣在不同氣體氛圍下的噴射過(guò)程進(jìn)行了研究，討論了貫穿距和射流卷吸能力受環(huán)境條件的影響。鐘慧平等［12］和龔學(xué)海等［13］則是通過(guò)試驗(yàn)研究了氫、氧分別在氬氣氛圍中噴射時(shí)的射流形態(tài)，總結(jié)出噴射壓力和背景壓力等邊界條件對(duì)氣體噴射特性的影響。

本文中基于上述研究，通過(guò)試驗(yàn)的方法，進(jìn)一步探究了在氬氣氛圍中摻混不同比例氫氣的條件下氧氣的射流特性。試驗(yàn)中利用紋影法，對(duì)定容燃燒彈中不同條件下氧氣射流的形態(tài)進(jìn)行了記錄，并且測(cè)量和計(jì)算了描述噴射特性的貫穿距、噴射錐角和射流卷吸率等重要指標(biāo)，并以此對(duì)不同邊界條件下的影響參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 氬氫氛圍下氣態(tài)氧噴射試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與參數(shù)

由于氧氣噴射入氬氫氛圍后形成的混合氣具有可燃性，為了保證試驗(yàn)安全，本研究在自主研發(fā)的能承受高溫高壓的定容燃燒彈上進(jìn)行。射流形態(tài)通過(guò)紋影法測(cè)量，利用高速攝影儀記錄射流的過(guò)程。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 高壓氣體噴射試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)中所使用的氣體噴射器是奧迪06E906036型GDI噴油器。其噴嘴為直徑為0.5 mm的單孔。為研究純氧噴射下環(huán)境氣體中氫氣濃度對(duì)射流形態(tài)的影響，試驗(yàn)選用了氫氣濃度分別為30%，50%和80%的3種氬氫混合氣作為環(huán)境氣體。其他的試驗(yàn)變量還包括噴射壓力和環(huán)境氣體壓力。試驗(yàn)參數(shù)見表1，每組試驗(yàn)重復(fù)4次。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)高速攝影測(cè)得圖形的分析，得到射流的主要參數(shù)指標(biāo)，即氧氣射流的貫穿距x’、噴射錐角θ、射流體積Vjet和卷吸率φ（如圖2所示）。

由于低密度的氫氣與氬氣混合后使環(huán)境氣體的密度與氧氣更加接近，紋影法得到的射流與環(huán)境的分辨率受到了一定的影響，如果單純使用程序進(jìn)行計(jì)算，會(huì)存在較大的誤差。所以在處理試驗(yàn)圖像時(shí)，先利用繪圖軟件對(duì)所選數(shù)據(jù)繪制大致輪廓，然后再使用MATLAB程序計(jì)算所需要的射流參數(shù)指標(biāo)。

對(duì)于噴射氣體射流體積的計(jì)算，假設(shè)每段微小的長(zhǎng)度內(nèi)射流為一段微小的圓柱（如圖2所示）。使用程序計(jì)算時(shí)，將軸向距離劃分為長(zhǎng)度為d x的微元。計(jì)算出每段微元處的射流直徑d后，通過(guò)圓柱體積公式d V＝π（d/2）2·d x計(jì)算每段微元圓柱的體積，最后求和得出總的射流體積。這樣極大可能避免了射流形狀改變的干擾，使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際射流體積相接近。

圖2 射流的主要參數(shù)示意圖

卷吸率指噴射主體射流中混合入的環(huán)境氣體的比例，是描述射流混合環(huán)境氣體程度的重要指標(biāo)。在計(jì)算卷吸率時(shí)，假設(shè)射流為理想氣體，流體通過(guò)噴嘴為等熵過(guò)程。本試驗(yàn)中氧氣的噴射過(guò)程已到達(dá)臨界狀態(tài)。所以根據(jù)噴射理論［14］，氧氣射流的質(zhì)量流量只與壓力室氣體的密度、壓力和氣體的比熱比有關(guān)，而與環(huán)境條件無(wú)關(guān)。即氧氣射流在某一噴射壓力下的質(zhì)量流量可根據(jù)以往試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)（表2）計(jì)算。卷吸率則可由式（1）計(jì)算。由于噴嘴針閥起升時(shí)流量并不穩(wěn)定，本文中在繪制卷吸率圖像時(shí)以0.4 ms后的圖像為起點(diǎn)。

式中：V·0為與背景壓力無(wú)關(guān)的氧氣射流的體積流量；Vjet為試驗(yàn)所得的射流體積，由表2獲得；t為噴射時(shí)間。

表 2 O 2射流的流量［13］

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)得到的紋影法測(cè)得的射流圖像如圖3所示。如前文所述，較低的圖像對(duì)比度和背景顏色的干擾會(huì)使程序直接處理出現(xiàn)較大誤差，所以先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，即人工通過(guò)繪圖軟件描繪出射流的形狀（深色部分），結(jié)果如圖4所示，所得圖形更利于計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算。

圖3 高速攝影機(jī)拍攝射流形狀圖（氫氣濃度30%，噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖4 圖像預(yù)處理后描繪出的射流形狀

2.1 環(huán)境氣體壓力和噴射壓力對(duì)氧氣射流的影響

圖5 為經(jīng)預(yù)處理得到的不同噴射壓力下的氧氣射流形狀圖。噴射壓力的提升意味著氣體噴射動(dòng)量的提升，理論上高動(dòng)量的射流將具有更高的鋒面速度，達(dá)到更大的射流體積，這在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。圖6中10 MPa噴射壓力下，射流在2 ms時(shí)體積達(dá)到7 cm3左右，比3 MPa噴射壓力的射流高4 cm3。圖7和圖8分別為環(huán)境氫氣濃度為30%和50%時(shí)，在背景壓力為0.8 MPa的環(huán)境中，射流體積和卷吸率隨噴射壓力的變化?？梢钥闯?，隨著噴射壓力的增加，射流體積變大，卷吸率升高。在兩種濃度下，10 MPa噴射壓力向混合氣中噴射達(dá)到的卷吸率都比6 MPa噴射壓力下最高增長(zhǎng)1倍左右。這與氧氣向純氬氣環(huán)境中噴射［13］的情況類似。可見，環(huán)境氣體中氫氣的濃度并不影響提升噴射壓力對(duì)氣體射流與環(huán)境氣體混合的積極效果。

圖5 不同噴射壓力下的射流形狀（氫氣濃度30%，背景壓力0.8 MPa，噴射后2 ms）

圖6 氣體射流體積隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環(huán)境氫氣濃度30%）

圖7 卷吸率隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環(huán)境氫氣濃度30%）

圖8 卷吸率隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環(huán)境氫氣濃度50%）

圖9 為經(jīng)預(yù)處理得到的不同背景壓力下的氧氣射流形狀圖。圖10和圖11分別為背景壓力對(duì)射流特性的影響。隨著背景壓力的下降，射流相同時(shí)間內(nèi)達(dá)到更大的射流體積，但是背景壓力的變化同時(shí)影響著射流中氧氣的體積流量。由于相同噴射壓力下氧氣經(jīng)過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量相同，但在不同背景壓力下會(huì)有不同的密度，所以氧氣的體積流量會(huì)隨壓強(qiáng)降低而變大，這也意味著卷吸率并不與射流體積直接成正比。由圖11可見，背景壓力的降低反而使氣體射流對(duì)環(huán)境氣體的卷吸率下降，在2 ms時(shí)0.4 MPa背景壓力下的射流卷吸率僅為1.0 MPa下的48.2%，這就是受到氧氣密度變化的影響。在其他氫氣濃度時(shí)也表現(xiàn)出了同樣的特性。另外，在背景壓力為1.2 MPa時(shí)，卷吸率相比背景壓力1.0 MPa有所下降，這與純氬氣氛圍下的噴射規(guī)律也類似。分析認(rèn)為，此時(shí)射流體積比低背景壓力條件時(shí)下降較大，環(huán)境氣體與氧氣的混合在射流內(nèi)部進(jìn)行的程度較低，導(dǎo)致卷吸率略有下降。

圖9 不同背景壓力下的射流形狀（氫氣濃度30%，噴射壓力10 MPa，噴射后1.5 ms）

圖10 背景壓力對(duì)氣體射流體積的影響（噴射壓力10 MPa，環(huán)境氫氣濃度30%）

圖11 背景壓力對(duì)卷吸率的影響（噴射壓力10 MPa，環(huán)境氫氣濃度30%）

2.2 環(huán)境氣體中氫氣濃度對(duì)氧氣射流的影響

當(dāng)Ar+H2環(huán)境氣體中氫氣濃度改變時(shí)，試驗(yàn)得到的射流形狀也會(huì)發(fā)生變化（圖12）。圖13和圖14中展示了試驗(yàn)得到的Ar+H2環(huán)境氣體中氫氣濃度對(duì)氧氣射流體積和卷吸率的影響。可以看出，在背景壓力為0.8 MPa，氧氣噴射壓力為10 MPa的條件下，隨著環(huán)境氣體中氫氣比例的升高，射流體積明顯增大，卷吸率明顯增加。當(dāng)氫氣濃度為30%時(shí)，氧氣射流的卷吸率在1.5 ms時(shí)僅達(dá)到5.1，而同一時(shí)間80%氫氣濃度條件下卷吸率可以達(dá)到12.6，是前者的2.47倍。根據(jù)鄧俊等［13］的研究，氧氣在純氬氣中以同等壓力噴射時(shí)，1.5 ms的卷吸率約為8左右。也就是說(shuō)氫氣濃度為50%和80%的環(huán)境條件下，射流卷吸率要比純氬氣氛圍下的數(shù)值有所提高，但氫氣濃度為30%時(shí)射流卷吸率比純氬氣氛圍有所降低。根據(jù)理論分析，環(huán)境氣體的密度和黏度對(duì)射流與環(huán)境氣體的混合程度有正向影響［15］。而氫氣的相對(duì)分子質(zhì)量為2，遠(yuǎn)小于氬氣的40，即在同等條件下，氫氣的密度小于氬氣。另外，常溫下氫氣的動(dòng)力黏度僅為氬氣的40%左右。所以當(dāng)環(huán)境氣體中氫氣比例上升時(shí)，環(huán)境氣體整體的密度和黏度下降，這會(huì)使射流的噴射錐角大幅變小。圖15為不同環(huán)境氫氣濃度下氣體射流的噴射錐角，其中“0%”代表向純氬氣中噴射［13］。可以看出，相比于純氬氣環(huán)境，30%氫氣濃度時(shí)噴射錐角減小了6°左右，這意味著射流的徑向面積下降，對(duì)周圍氣體的卷吸程度降低。

圖12 不同環(huán)境氫氣濃度下的射流形狀（噴射壓力10 MPa，背景壓力 0.8 MPa，噴射后 1.5 ms）

圖13 環(huán)境氫氣濃度對(duì)氣體射流體積的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖14 環(huán)境氫氣濃度對(duì)卷吸率的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖15 環(huán)境氫氣濃度對(duì)噴射錐角的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

繼續(xù)升高氫氣濃度時(shí)，噴射錐角減小幅度減緩，氫氣濃度從30%增長(zhǎng)到80%后錐角僅減小了3°左右。同時(shí)由圖16可以看出，射流的貫穿距大幅增加，噴射到達(dá)壁面的時(shí)間僅為1.6 ms左右，比同條件下氧氣向純氬氣中噴射的時(shí)間縮短了60%。此時(shí)射流的軸向發(fā)展成為促進(jìn)其與環(huán)境氣體混合的主要方式，射流卷吸能力增強(qiáng)。

圖16 環(huán)境氫氣濃度對(duì)貫穿距的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

值得注意的是，這里所描述的卷吸率是指卷吸Ar+H2混合氣體的卷吸率。如果單一對(duì)比氧氣射流中卷吸的氫氣比例，則高濃度氫氣環(huán)境中的氫氣卷吸率會(huì)與低濃度氫氣環(huán)境有更大的差距。這是因?yàn)?，一方面根?jù)試驗(yàn)結(jié)果，高濃度氫氣環(huán)境下卷吸的混合氣體總量更多；另一方面高濃度氫氣環(huán)境意味著所卷吸氣體中氫氣占有更高的體積濃度。即在80%氫氣濃度條件下，1.5 ms時(shí)氧氣射流所卷吸的氫氣要比30%濃度條件下高5.8倍左右。

2.3 結(jié)果與討論

鄧俊等的研究［11，13］中，闡述了試驗(yàn)得到的純氬氣氛圍下氫氣和氧氣的噴射特性。相同噴射壓力和背景壓力下，噴射氧氣的卷吸率達(dá)到了噴射氫氣卷吸率的2.43～2.98倍。而本文中則探究了氧氣噴射條件下，不同的環(huán)境氣體組分對(duì)射流發(fā)展過(guò)程的影響。80%氫氣濃度時(shí)射流的卷吸率可以達(dá)到純氬氣氛圍下的1.5倍左右。這都說(shuō)明了噴射氣體和環(huán)境氣體的特性會(huì)對(duì)射流特性有明顯的影響：密度更高的噴射氣體因其具有更高的噴射動(dòng)量，能更好地與環(huán)境氣體混合；而當(dāng)環(huán)境氣體的密度和黏度下降時(shí)，射流的貫穿距離增加，卷吸效果增強(qiáng)。

對(duì)于氬氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，相比于缸內(nèi)直噴氧氣的噴射策略，采用缸內(nèi)直噴氧氣的方法不僅會(huì)增大噴射氣體的動(dòng)量，也會(huì)降低環(huán)境氣體的密度和黏度，這都有利于加速氫、氧的混合過(guò)程。隨著功率的升高，進(jìn)氣中增大的氫氣比例則會(huì)進(jìn)一步對(duì)氣體混合產(chǎn)生正向影響。

3 結(jié)論

本文中對(duì)氧氣向氬氫氛圍中噴射的射流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）噴射壓力越大，射流體積和貫穿距增長(zhǎng)越快。不同氫氣濃度的氬氫氣體氛圍中，噴射壓力的增大會(huì)促進(jìn)射流卷吸率的提升。背景壓力為0.8 MPa時(shí)，噴射壓力從6提升到10 MPa卷吸率增長(zhǎng)1倍左右。

（2）氧氣噴射的卷吸率對(duì)背景壓力有較高的敏感性。降低背景壓力會(huì)使環(huán)境氣體對(duì)噴射射流的阻力降低，這有助于射流體積的增大。2 ms時(shí)0.4 MPa環(huán)境壓力下的射流體積比1.0 MPa增加1.1倍。對(duì)于射流中環(huán)境氣體的卷吸率，還應(yīng)考慮氧氣射流在不同背景壓力下的密度變化，氧氣射流質(zhì)量流量不變時(shí)，更低的背景壓力導(dǎo)致氧氣的體積流量增加，對(duì)環(huán)境氣體的卷吸能力下降，2 ms時(shí)0.4 MPa環(huán)境壓力下的射流卷吸率僅為1.0 MPa下的48.2%。

（3）由于相同狀態(tài)下氫氣的密度和黏度遠(yuǎn)小于氬氣，氬氫氛圍中氫氣的濃度對(duì)射流的錐角、卷吸率等有明顯的影響。氫氣濃度增加，相同時(shí)間內(nèi)射流達(dá)到更大的貫穿距，錐角減小，卷吸率增加。背景壓力0.8 MPa，噴射壓力10 MPa下，氫氣濃度從30%增長(zhǎng)到80%后，射流到達(dá)最大貫穿距的時(shí)間縮短了36.2%，平均錐角減小了約3°，1.5 ms時(shí)的卷吸率提升1.47倍。