亞/跨臨界狀態(tài)下不同組分燃油液滴蒸發(fā)特性分析

唐純逸，李瑞娜，劉 帥，王 忠，李立琳

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著柴油機增壓技術(shù)、高壓噴射技術(shù)的應(yīng)用，柴油機缸內(nèi)溫度大幅提高，燃料蒸發(fā)環(huán)境發(fā)生了很大變化.此外，燃油組分對液滴蒸發(fā)特性也有很大影響.

一般認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)的壓力和溫度同時超過臨界壓力和臨界溫度的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài).在現(xiàn)實過程中，有溫度或壓力二者之一超過臨界點的狀態(tài)，這種狀態(tài)可以稱為跨臨界狀態(tài)[1-2].燃油液滴在亞臨界、跨臨界狀態(tài)下的特性截然不同.跨臨界狀態(tài)時，表面張力與蒸發(fā)潛熱開始消失，氣相和液相之間變得模糊[3].

國內(nèi)外學(xué)者對燃油液滴不同狀態(tài)的蒸發(fā)過程、蒸發(fā)特性進行了研究.N.HASHIMOTO等[4]研究了亞臨界狀態(tài)下，棕櫚甲酯(PME)、柴油、十六烷液滴的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：隨著溫度的升高，所有燃料的初始加熱時間均減少，平均蒸發(fā)系數(shù)增加.由于組分沸點更高，PME的初始加熱時間最長，液滴壽命最大.K.SAHA等[5]建立了柴油-生物柴油混合的液滴蒸發(fā)模型，研究了液滴在亞臨界環(huán)境中的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：液相擴散是混合液滴蒸發(fā)速率的主要影響因素，柴油含量更高的混合液滴內(nèi)部更容易產(chǎn)生氣泡.H.KIM等[6]研究了跨臨界條件下，水/正癸烷液滴的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：乳化液滴的蒸發(fā)過程分為加熱、膨脹和平穩(wěn)蒸發(fā)階段，在平穩(wěn)蒸發(fā)階段液滴的蒸發(fā)速率僅受環(huán)境溫度影響，不受環(huán)境壓力影響.王宏楠等[7]研究了超臨界環(huán)境條件下液滴蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：超臨界狀態(tài)時，溫度越高液滴的蒸發(fā)壽命越短，液滴表面發(fā)生從亞臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)的遷移時刻越早.R.L.MATLOSZ等[8]、H.HIROYASU等[9]在超臨界環(huán)境下，用懸滴法分別研究了正己烷與正庚烷液滴的蒸發(fā)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著液滴所處環(huán)境壓力的升高將不再嚴(yán)格滿足直徑平方(d2)定律.H.NOMURA等[10]研究了亞/超臨界條件下，正十六烷的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明：蒸發(fā)速率隨環(huán)境壓力線性增加，在環(huán)境壓力為1.5 MPa(略高于臨界壓力)時達到最大值，然后線性下降.國內(nèi)外針對亞/超臨界液滴蒸發(fā)進行的研究較多，而跨臨界液滴蒸發(fā)有待進一步研究.

為了得到亞/跨臨界不同組分燃油液滴的蒸發(fā)過程、蒸發(fā)特性，筆者針對不同燃油的臨界溫度，搭建高溫定容液滴蒸發(fā)測量裝置，選擇單組分的正十二烷(C12H26)、正十四烷(C14H30)與多組分的柴油(D)、生物柴油(BD)，測量這些燃油的液滴直徑、液滴蒸發(fā)速率等參數(shù)，分析4種不同組分液滴的蒸發(fā)過程、蒸發(fā)特性.

1 試驗裝置與數(shù)據(jù)處理

為研究跨臨界狀態(tài)時不同組分燃油液滴的蒸發(fā)規(guī)律，搭建高溫定容液滴蒸發(fā)測量裝置，采用懸滴法、高速攝影和圖片測量技術(shù)，測量并分析不同組分燃油的液滴蒸發(fā)階段、液滴壽命、液滴直徑和液滴蒸發(fā)速率隨溫度、時間的變化規(guī)律.此外，針對圖像處理中可能出現(xiàn)的誤差進行修正.

1.1 試驗裝置與方案

高溫定容液滴蒸發(fā)裝置原理及實物分別如圖1、2所示.

圖1 裝置原理圖

圖2 裝置實物圖

設(shè)定目標(biāo)溫度后，利用高溫定容彈體內(nèi)的加熱棒進行升溫，加熱絲加熱后溫度可達300～1 200 K；蒸發(fā)彈體的上部和下部各設(shè)有K型熱電偶測量彈體內(nèi)的溫度，測量誤差為±5 K.使用液滴傳送裝置中的步進電動機將懸掛液滴的懸掛器下落并穿過彈體上方直徑為26 mm的小孔，懸掛器上的掛絲為耐高溫的鎢絲，直徑為100 μm.彈體前后兩側(cè)各設(shè)置耐高溫的鋁硅酸鹽玻璃，前窗口放置高速相機，后窗口放置LED背光燈，利用高速相機配合LED背光燈，拍攝液滴蒸發(fā)過程.采用FASTCAM SA-X2型高速相機，搭配微距鏡頭(Navitar Zoom6000)采集液滴圖像，拍攝頻率為1 000 幀·s-1，全分辨率為1 024×1 024，最小曝光時間為1.5 μs.為保護鏡頭、減小加熱過程中熱輻射對拍攝效果的影響，使微距鏡頭到玻璃窗口的距離大于20 cm.

為研究不同臨界狀態(tài)和組分對液滴蒸發(fā)過程、蒸發(fā)特性的影響，試驗選擇了C12H26、C14H30、柴油及生物柴油(C18H34O2[11])，烷烴純度≥99.5%，柴油采用0#柴油，生物柴油為地溝油制備而成.具體理化特性參數(shù)如表1所示.

表1 4種燃油理化特性

試驗測量溫度設(shè)定為573、773、973 K，分別代表亞臨界狀態(tài)、接近臨界點溫度、跨臨界狀態(tài).文中的亞臨界狀態(tài)指溫度壓力均小于臨界點的狀態(tài)；跨臨界狀態(tài)均指溫度超過臨界點，壓力小于臨界點的狀態(tài).

1.2 數(shù)據(jù)處理與誤差修正

高速相機拍攝的照片中，液滴區(qū)域呈黑色，而其他區(qū)域呈灰色，如圖3所示.基于照片中液滴與環(huán)境區(qū)域的高對比度，使用MATLAB軟件進行編程，定義有效區(qū)域(ROI)，以減少液滴和掛絲之外的無關(guān)區(qū)域，對圖像進行灰度和二值化，使液滴和背景實現(xiàn)了高區(qū)分度，如圖4所示.隨后結(jié)合后期圖像處理程序，獲取液滴直徑的大小.

圖3 高速相機拍攝的圖像

圖4 處理后的圖像

在計算液滴直徑前需要利用式(1)標(biāo)定像素點的尺寸，最后將投影面積等效為圓，求出其直徑.

a=Di/Ni，

(1)

式中：a為像素點邊長；Di為掛絲實際尺寸；Ni為掛絲在圖像中的像素點數(shù)目.

為提高試驗精度，針對試驗中可能出現(xiàn)的問題，采取如下幾項措施：

1)在計算液滴像素點數(shù)時，需先去除掛絲像素點數(shù)，采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法[12],可以減小直接剪去掛絲所導(dǎo)致的誤差.形態(tài)學(xué)圖像處理方法原理如圖5所示，采用形態(tài)學(xué)方法要比直接減去掛絲精確.

圖5 形態(tài)學(xué)圖像處理數(shù)據(jù)原理

2)液滴進入高溫環(huán)境過程中采用溫度保護裝置，降低彈體內(nèi)高溫對液滴下落時產(chǎn)生的影響，如圖6所示.采用涂有高溫隔熱涂料的石英管將液滴與環(huán)境隔開，避免液滴進入彈體過程中發(fā)生蒸發(fā).

圖6 液滴溫度保護裝置

3)液滴初始直徑會對液滴蒸發(fā)特性造成極大的影響，采用量程1 μL、最小刻度0.05 μL的微量注射器作為液滴生成器.試驗中用微注射器產(chǎn)生的液滴初始直徑，如圖7所示，直徑在0.45 mm至0.53 mm的范圍內(nèi)，平均直徑為0.50 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.021 mm.為減小誤差，通過多次試驗取得平均直徑，并取最接近該值的5組試驗數(shù)據(jù)進行分析.

圖7 試驗中液滴初始直徑

2 結(jié)果與分析

2.1 液滴蒸發(fā)過程分析

亞臨界液滴瞬時蒸發(fā)圖像如圖8所示，當(dāng)C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴處于亞臨界狀態(tài)時，均存在吸熱膨脹，膨脹時間分別為0.4、0.7、1.2、2.0 s，這是因為液滴蒸發(fā)導(dǎo)致的體積減小，小于吸熱膨脹導(dǎo)致的體積增大.液滴蒸發(fā)經(jīng)歷了初期膨脹后，進入平衡蒸發(fā)階段.C12H26的沸點低，碳鏈長度短，蒸發(fā)時間最短；生物柴油的沸點高，且含有大量的長鏈脂肪酸，蒸發(fā)時間最長.

圖8 亞臨界(溫度為573 K)液滴蒸發(fā)圖像

跨臨界液滴瞬時蒸發(fā)圖像如圖9所示，當(dāng)C12H26、C14H30、柴油液滴處于跨臨界狀態(tài)時，沒有經(jīng)歷明顯膨脹階段，這可能是因為高溫使得液滴處于跨臨界狀態(tài)，液滴表面的氣液界面開始消失，液滴表面迅速發(fā)生從亞臨界狀態(tài)到跨臨界狀態(tài)的遷移，直接產(chǎn)生相變，進入平穩(wěn)蒸發(fā)階段，這與文獻[7]一致.生物柴油臨界溫度高，液滴吸熱導(dǎo)致的體積增大，大于蒸發(fā)引起的體積減小，存在膨脹現(xiàn)象.進入彈體后，經(jīng)過0.3 s的膨脹，液滴直徑達到最大，隨后進入平穩(wěn)蒸發(fā)階段，并在1.0 s時再次膨脹.跨臨界狀態(tài)加速了液滴蒸發(fā)，促進液滴內(nèi)部氣泡成核與體積增長，導(dǎo)致液滴表面發(fā)生破裂，產(chǎn)生氣泡.

圖9 跨臨界(溫度為973 K)液滴蒸發(fā)圖像

對比圖8、9后發(fā)現(xiàn)：C12H26、C14H30、柴油液滴在亞臨界狀態(tài)時，液滴吸熱升溫時間較長，液滴存在膨脹階段，膨脹時間約為整個液滴壽命的5%～10%；C12H26、C14H30、柴油液滴在跨臨界狀態(tài)時，不存在膨脹階段，與C12H26、C14H30、柴油相比，生物柴油在蒸發(fā)過程中會二次膨脹，在跨臨界狀態(tài)下，二次膨脹的時間縮短，能夠促進蒸發(fā)，縮短液滴壽命.

2.2 液滴直徑的變化規(guī)律

亞臨界蒸發(fā)理論認(rèn)為，液滴蒸發(fā)時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，液滴內(nèi)部密度不變，此時液滴直徑的平方隨時間線性減小，此為d2定律[3].C12H26、C14H30單組分液滴與柴油、生物柴油多組分燃油液滴，在相同壓力下液滴直徑的平方隨溫度的變化規(guī)律如圖10所示,溫度的提高可以增加液滴的蒸發(fā)速度，在不同臨界狀態(tài)下，單組分燃油蒸發(fā)速度總是比多組分燃油的蒸發(fā)速度快.當(dāng)溫度為573 K時，C12H26、C14H30液滴直徑的平方隨時間線性遞減；柴油、生物柴油液滴直徑的平方不隨時間線性變化；當(dāng)溫度為773、973 K時，C12H26、C14H30、柴油液滴直徑的平方隨時間線性遞減，生物柴油液滴直徑的平方不隨時間線性變化；從接近臨界溫度，過渡到跨臨界狀態(tài)后，生物柴油的二次膨脹時間縮短了4.5 s.

圖10 溫度對液滴量綱一直徑平方的影響

在亞/跨臨界狀態(tài)，單組分液滴直徑的平方均符合d2定律.在亞臨界狀態(tài)，柴油液滴不符合d2定律；在跨臨界狀態(tài)，符合d2定律，主要原因是在亞臨界狀態(tài)，混合燃油中輕質(zhì)組分蒸發(fā)較快，重質(zhì)組分蒸發(fā)較慢；在跨臨界狀態(tài)時，液滴表面可能快速遷移，輕、重質(zhì)組分同時蒸發(fā)，產(chǎn)生相變.在跨臨界狀態(tài)時，生物柴油不符合d2定律，主要原因是生物柴油由不同的油和脂組成[13]，各組分之間的揮發(fā)性與黏性差異大，液滴內(nèi)部氣泡成核，蒸發(fā)中期液滴內(nèi)部蒸汽運動劇烈，液滴表面發(fā)生破碎，導(dǎo)致二次膨脹現(xiàn)象；從亞臨界狀態(tài)過渡到跨臨界狀態(tài)，C12H26、C14H30、柴油液滴不存在膨脹階段，生物柴油液滴的二次膨脹時間縮短，導(dǎo)致液滴蒸發(fā)速度加快，燃燒效率提高.

2.3 液滴壽命分析

不同溫度時的C12H26、C14H30、柴油和生物柴油的液滴壽命如圖11所示.

圖11 液滴壽命隨溫度的變化規(guī)律

從圖11可以看出：溫度為573 K，低于臨界溫度時，4種液滴的壽命分別為4.3、8.0、17.6、22.0 s；溫度為773 K，接近臨界溫度時，4種液滴相對于573 K時，液滴壽命降低了58%、62%、72%、64%；溫度為973 K，超過臨界點時，4種液滴相對于573 K時，液滴壽命降低了86%、89%、93%、89%.液滴從亞臨界狀態(tài)過渡到跨臨界狀態(tài)后，液滴壽命顯著降低；不同組分的液滴，在亞臨界狀態(tài)時液滴壽命間的差值較大，在跨臨界狀態(tài)時液滴壽命間的差值較小.可以認(rèn)為，提高溫度使液滴處于跨臨界狀態(tài)，能夠大幅縮短液滴壽命，不同組分燃料液滴壽命之間的差距縮短，在實際發(fā)動機中能夠顯著降低燃油的霧化混合時間，提高燃燒效率.

2.4 液滴蒸發(fā)速率分析

根據(jù)H.NOMURA等[10]關(guān)于液滴蒸發(fā)速率的定義，蒸發(fā)速率K是液滴直徑平方相對于時間t的斜率，即

K=dd2/dt.

(2)

常壓下溫度對C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴蒸發(fā)速率的影響如圖12所示.

圖12 液滴蒸發(fā)速率隨溫度的變化

從圖12可以看出：當(dāng)溫度為573 K時，4種液滴處于亞臨界狀態(tài)，液滴蒸發(fā)速率分別為0.25、0.12、0.05、0.03 mm2·s-1；當(dāng)溫度為773 K時，高于C12H26、C14H30、柴油的臨界溫度，接近生物柴油的臨界溫度，與573 K時相比，液滴蒸發(fā)速率增加了0.31、0.29、0.17、0.13 mm2·s-1；當(dāng)溫度為973 K時，高于4種液滴的臨界溫度，與573 K時的蒸發(fā)速率相比，蒸發(fā)速率增加了1.25、1.03、0.71、0.51 mm2·s-1.隨著溫度的升高，不同燃油液滴蒸發(fā)速率均增加.在相同狀態(tài)下，液滴蒸發(fā)速率從大到小的燃油排序為C12H26、C14H30、柴油、生物柴油.說明溫度相同時，低沸點燃油的蒸發(fā)速率更大.在亞臨界狀態(tài)時，液滴蒸發(fā)受傳熱影響，蒸發(fā)速率增幅較小.在跨臨界狀態(tài)時，液滴蒸發(fā)受擴散影響，蒸發(fā)速率增幅較大.

3 結(jié) 論

1)亞臨界狀態(tài)時，C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴均存在初期膨脹現(xiàn)象，跨臨界狀態(tài)時，正構(gòu)烷烴與柴油的膨脹現(xiàn)象消失，生物柴油依然存在.與C12H26、C14H30和柴油相比，生物柴油在蒸發(fā)過程中會二次膨脹.表明跨臨界高溫可以促進液滴蒸發(fā)、使液滴壽命縮短.

2)單組分燃油液滴處于亞/跨臨界狀態(tài)時，液滴直徑的變化符合d2定律；柴油液滴在跨臨界狀態(tài)時，可能發(fā)生遷移，直接產(chǎn)生相變，液滴直徑的變化符合d2定律；生物柴油在跨臨界狀態(tài)時，由于二次膨脹，液滴直徑的變化不符合d2定律.

3)在573 K到973 K的溫度范圍內(nèi)，液滴從亞臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缗R界狀態(tài)后，4種不同燃油液滴蒸發(fā)速率均增加；在同一狀態(tài)下，液滴蒸發(fā)速率從大到小的燃油排序為C12H26、C14H30、柴油、生物柴油，單組分燃油的蒸發(fā)速率高于多組分燃油.