熱空氣作用下幾種油品的細(xì)觀流動(dòng)分析

牛利利，邢桂菊，，段建高，霍兆義

（1.營(yíng)口理工學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115014；2.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.寶山鋼鐵股份有限公司硅鋼事業(yè)部，上海 200431）

利用植物油開(kāi)發(fā)生物基機(jī)油，不僅低碳環(huán)保可生物降解，還具有潤(rùn)滑降磨、冷卻、清潔、密封、改善尾氣排放等功能，符合我國(guó)資源利用發(fā)展方向［1-3］。在生物基基礎(chǔ)油品開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中，植物油的黏性流動(dòng)和傳熱特性是重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。直觀角度探索黏性流體復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律是常用的研究手段［4-5］。從基礎(chǔ)研究角度，Tanaka等［6］實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究漂浮在圓盤(pán)上活性劑溶液表面的自推進(jìn)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡，其模型由驅(qū)動(dòng)力、黏性阻力和來(lái)自邊界的排斥力組成，成功再現(xiàn)包括霧滴速度功率譜在內(nèi)的全局軌跡模式。Dalbe等［7］實(shí)驗(yàn)研究顆粒充填體中兩種流體的相對(duì)位移，進(jìn)行三維可變形顆粒介質(zhì)中流體-流體位移的形態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，揭示出流體侵入和介質(zhì)變形之間的關(guān)系。Seiler等［8］實(shí)驗(yàn)研究4種不同潤(rùn)濕特性的固體襯底上，由完全湍流驅(qū)動(dòng)的壁面液滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。梁剛濤等［9］通過(guò)觀測(cè)液滴撞擊傾斜表面液膜的過(guò)程，分析液滴幾種變化現(xiàn)象及撞擊角對(duì)液滴震蕩變形、鋪展速度的影響，進(jìn)而得出液滴鋪展速度隨時(shí)間的定量變化規(guī)律。從工程應(yīng)用方面，Barbosa等［10］針對(duì)石油開(kāi)采工程中的問(wèn)題，實(shí)測(cè)分析大而窄垂直和傾斜環(huán)形管道中高黏油氣兩相向上流動(dòng)的漂移通量參數(shù)，提出新的流型預(yù)測(cè)模型，顯著優(yōu)于文獻(xiàn)結(jié)果。Agboola等［11］研究棉花籽油、棕櫚仁油、印楝籽油和棕櫚油用于中碳鋼的淬火熱處理性能，淬火溫度分別為34、50、70、100℃，發(fā)現(xiàn)植物油適合替代SAE40發(fā)動(dòng)機(jī)油，效果較好的是棕櫚仁油。

由于植物油的環(huán)保性與安全性，人們的應(yīng)用關(guān)注度提升，對(duì)其黏溫性也有很多研究。巫淼鑫等［12］利用7種食用植物油制備生物柴油，對(duì)比運(yùn)動(dòng)黏度發(fā)現(xiàn)，生物柴油40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度比其原料植物油降低85%以上。鄭發(fā)正等［13］對(duì)比15種植物油與1種礦物油在40℃和100℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度，并測(cè)試抗磨性，表明植物油具有良好的黏溫性以及潤(rùn)滑性。孫玉秋等［14］對(duì)菜籽油制備的生物柴油低溫流動(dòng)特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油黏度和冷濾點(diǎn)降低，黏溫性能得到改善。

本文自制實(shí)驗(yàn)裝置考察3種礦物油和3種植物油在不同溫度熱空氣流作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并與黏度實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)比分析植物油與礦物油流溫與黏溫之間關(guān)系，為篩選生物基機(jī)油提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)選取3種礦物油（80W齒輪油、30機(jī)油、遼河油田重油）和3種植物油（福臨門(mén)芝麻油、金龍魚(yú)菜籽油、西班牙橄欖油）。

對(duì)油品流動(dòng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用奧林巴斯SZX12體視顯微鏡與CCD高速攝像系統(tǒng)，設(shè)置顯微鏡放大倍率為16，高速攝像系統(tǒng)為30 fps。采用恩格拉黏度計(jì)測(cè)試油品黏度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment

在直徑為18 mm的管路中建立一個(gè)長(zhǎng)為50 mm的觀測(cè)段，觀測(cè)段水平裝入光滑透明的有機(jī)玻璃薄板，薄板下無(wú)縫布置坐標(biāo)紙，每小格為1 mm×1 mm。在觀測(cè)段入口薄板表面均勻靜置8 mm×8 mm×0.12 mm油品試樣，再?gòu)?50 mm長(zhǎng)的管路入口端通入熱空氣，流量為0.007 36 m3/s（標(biāo)況下），熱空氣分別以31.49 m/s（24℃）、34.01 m/s（48℃）、37.19 m/s（78℃）的流速通過(guò)管路掠過(guò)觀測(cè)薄板，油品試樣在3種工況的熱空氣流作用下，以一定速度沿著薄板流進(jìn)觀測(cè)段。

根據(jù)高速攝像系統(tǒng)傳輸幀數(shù)，計(jì)算相鄰2幀圖像時(shí)間間隔為0.034 s。提取油品試樣流動(dòng)圖像，在體視顯微鏡放大倍率16的基礎(chǔ)上，再通過(guò)電腦將薄板上坐標(biāo)紙網(wǎng)格的流動(dòng)圖形放大10倍。固定流體的初始位置，計(jì)算2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間油品流動(dòng)位置的變化。以此方法考察3種礦物油和3種植物油的流動(dòng)過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 油的流動(dòng)

在不同溫度空氣流作用下，機(jī)油運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。24℃空氣作用下，經(jīng)過(guò)0.408 s，機(jī)油流動(dòng)615μm，48℃時(shí)機(jī)油流過(guò)1 077μm，78℃時(shí)機(jī)油流過(guò)1 769μm。

圖2 不同溫度空氣流作用下機(jī)油運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Movement trajectories of engine oil under airflow at different temperatures

齒輪油、橄欖油、菜籽油、芝麻油的流動(dòng)狀態(tài)與礦物油一樣，但流動(dòng)距離不同。依據(jù)流動(dòng)距離計(jì)算出各種油在熱空氣作用下的流動(dòng)速度，詳見(jiàn)表1。

表1 在熱空氣作用下各種油的流動(dòng)距離及流速Tab.1 Flow distances and flow speeds of oils under airflow at different temperatures

重油在常溫下屬于非牛頓流體，空氣溫度為24℃和48℃時(shí)，重油處于凝固狀態(tài)?？諝鉁囟?8℃時(shí)開(kāi)始緩慢流動(dòng)，流動(dòng)軌跡如圖3所示。由于重油中含有0.5%的水分，流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生氣泡。重油的動(dòng)態(tài)形貌呈拋物線狀，類(lèi)似于黏性流體在管內(nèi)層流速度分布的規(guī)律。

圖3 重油在78℃空氣流條件下的流動(dòng)Fig.3 Flow of heavy oil under airflow at 78℃

在同溫度下，植物油的流速高于礦物油，且三種植物油的流速比較接近。礦物油中齒輪油運(yùn)動(dòng)性能最好，從常溫到78℃，運(yùn)動(dòng)速度高于機(jī)油34.1%～58.3%。

2.2 油的黏度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)恩氏黏度的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得各種油品在24、48、78℃時(shí)的恩氏黏度。其中，重油最低溫度取35℃。由恩氏黏度Et和運(yùn)動(dòng)黏度υ的換算關(guān)系

得到對(duì)應(yīng)溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度，詳見(jiàn)表2。從常溫到78℃溫差內(nèi)，機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度高于齒輪油58.3%～65%。在同一溫度下3種植物油的運(yùn)動(dòng)黏度差異不大，芝麻油的運(yùn)動(dòng)黏度相對(duì)略小些。

表2 各種油品在不同溫度下運(yùn)動(dòng)黏度，cm2/sTab.2 Kinematic viscosities of oils at different temperatures，cm2/s

3 油品受熱流動(dòng)的流溫與黏溫關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)裝置中，薄板上的油品非常薄，可視為與薄板融為一體。根據(jù)流體外掠平板的對(duì)流換熱機(jī)理［15］，熱空氣的平均努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu為

根據(jù)熱空氣的流速u(mài)、運(yùn)動(dòng)黏度υ與導(dǎo)溫系數(shù)a得到Re和Pr，進(jìn)而計(jì)算出熱空氣與薄板上油品的對(duì)流換熱系數(shù)h。式中l(wèi)為觀測(cè)段長(zhǎng)度，λ為空氣的熱導(dǎo)率。

利用集總參數(shù)法可以確定3種工況下薄板表面油品溫度t。當(dāng)熱空氣掠過(guò)薄板表面（薄板面積A，表面初始油溫t0均為20℃）時(shí)，其對(duì)流換熱量φ可由牛頓冷卻公式確定

各油品隨著溫度的升高，黏度減小，流速增大。這便是熱空氣給于薄板上各油品流動(dòng)的熱動(dòng)力。熱空氣與薄板油品間的對(duì)流換熱參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 熱空氣與油品的對(duì)流換熱參數(shù)Tab.3 Convective heat transfer parameters between hot air and oil

6種油品試樣受熱空氣作用下的流溫和黏溫特性如圖4所示。重油的黏度最大，流動(dòng)性最差。齒輪油與機(jī)油的流速隨溫度線性增加。從24℃到78℃溫度范圍內(nèi)，齒輪油流速?gòu)?.39 mm/s上升到5.82 mm/s，運(yùn)動(dòng)黏度從0.81 cm2/s下降到0.108 cm2/s；機(jī)油流速?gòu)?.51 mm/s上升到4.34 mm/s，運(yùn)動(dòng)黏度從1.337 cm2/s下降到0.171 cm2/s。齒輪油流速高于機(jī)油流速34.1%～58.3%，運(yùn)動(dòng)黏度比機(jī)油低58.3%～65%。說(shuō)明齒輪油的流溫與黏溫特性較好。

圖4 各種油的運(yùn)動(dòng)黏度及流速隨溫度的變化Fig.4 Kinematic viscosities and flow velocities of oils

3種植物油的流溫與黏溫特性比較接近，同溫度下的流速大小排列為芝麻油、菜籽油、橄欖油，均高于礦物油。從24℃到78℃溫度范圍內(nèi)，芝麻油的流速?gòu)?.11 mm/s上升到8.3 mm/s，菜籽油的流速?gòu)?.81 mm/s上升到7.82 mm/s，橄欖油的流速?gòu)?.02 mm/s上升到7.54 mm/s。芝麻油與菜籽油的黏度隨溫度變化規(guī)律基本一致，24℃時(shí)橄欖油運(yùn)動(dòng)黏度為0.607 cm2/s最大，78℃時(shí)芝麻油運(yùn)動(dòng)黏度0.084 cm2/s為最小，當(dāng)溫度超過(guò)40℃后，它們的黏度越來(lái)越接近齒輪油。因此，可以利用這些植物油開(kāi)發(fā)環(huán)保型生物質(zhì)基齒輪油或機(jī)油。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用熱空氣作用于薄板上油品流動(dòng)的細(xì)觀考察及黏度測(cè)試方法，可以獲得油品流溫與黏溫特性。

（2）3種礦物油中，齒輪油流溫與黏溫性能最好，重油流動(dòng)性最差。齒輪油流速高于機(jī)油流速34.1%～58.3%，運(yùn)動(dòng)黏度比機(jī)油低58.3%～65%。常溫下重油為非牛頓流體，在24℃和48℃熱空氣作用下，均處于凝固狀態(tài)，熱空氣達(dá)到78℃時(shí)才開(kāi)始緩慢流動(dòng)，流態(tài)呈典型的層流管流分布。

（3）3種植物油的流溫性能優(yōu)勢(shì)排列為芝麻油、菜籽油和橄欖油，且接近相同的線性變化規(guī)律。同溫度下，3種植物油的流速均高于礦物油。它們的黏溫特性比較接近，在40℃以后3種植物油的運(yùn)動(dòng)黏度趨于一致，且越來(lái)越接近礦物油中齒輪油的黏溫性能。