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橫風(fēng)下冪律燃料射流的全局敏感性分析
2021-11-19 15:49:36· 來(lái)源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
藻制乳化油、動(dòng)物油脂酸化油和混制可燃生物漿等燃料，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)其流變特性同傳統(tǒng)燃料柴/汽油具有非常大的差異性，被稱之為冪律流體燃料。這些生物
藻制乳化油、動(dòng)物油脂酸化油和混制可燃生物漿等燃料，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)其流變特性同傳統(tǒng)燃料柴/汽油具有非常大的差異性，被稱之為冪律流體燃料。這些生物質(zhì)燃料在其自身流變特性的影響下，其射流破碎特征與霧化規(guī)律會(huì)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)燃料不同的特征。但對(duì)于該種類型燃料在具有橫向氣流的環(huán)境中射流破碎機(jī)理的研究仍較少，故筆者以已獲得的橫風(fēng)下冪律燃料射流不穩(wěn)定性模型作為研究對(duì)象，采用基于全局敏感性的基本效應(yīng)法來(lái)研究各實(shí)際參量對(duì)冪律燃料射流不穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并給出各實(shí)際參量之間的耦合作用程度，為相關(guān)的仿真計(jì)算和試驗(yàn)探究提供參考。
01、研究方法
本文采用基本效應(yīng)法進(jìn)行研究。基本效應(yīng)法是一種便捷高效的全局敏感性分析方法，其通過(guò)計(jì)算基本效應(yīng)EE(elementary effects)來(lái)計(jì)算各個(gè)參數(shù)的敏感性。其基本原理為采用完全隨機(jī)的方式在參數(shù)的域值內(nèi)進(jìn)行抽選，通過(guò)對(duì)參數(shù)改變而計(jì)算獲得的基本效應(yīng)值。該研究方法的詳細(xì)介紹見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。
02、結(jié)果與分析
2.1 各物理參數(shù)對(duì)射流不穩(wěn)定性的敏感性分析
圖1 展示了各物理參數(shù)對(duì)最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率的敏感性分析結(jié)果。在圖1a 中可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境氣體密度的平均值也比較大，這表明環(huán)境氣體密度對(duì)于橫向氣流運(yùn)動(dòng)下的圓射流不穩(wěn)定性具有較大的影響。但氣體密度的標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明其與其他參數(shù)之間的耦合作用低。通過(guò)對(duì)比圖1a 和圖1b 中各影響因素的平均值大小，液體的密度、表面張力這兩個(gè)變量的平均值及絕對(duì)平均值為最小，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)差也是最小的，這表明圓射流不穩(wěn)定性對(duì)這兩者的敏感度較低，且這兩個(gè)參數(shù)同其他參數(shù)之間的耦合作用也很弱。綜合考量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，液體密度是最小的靈敏因子。在全局敏感性分析中可以發(fā)現(xiàn)，除了液體射流速度以外，與液相相關(guān)的幾個(gè)因素(稠度系數(shù)、冪律指數(shù)、液體密度和表面張力)其平均值和絕對(duì)平均值都是很小的。也就是說(shuō)，液相自身的流體特性對(duì)于射流不穩(wěn)定影響較小。因此，在射流不穩(wěn)定性方面，可以在實(shí)際工程應(yīng)用中將更多的精力放到研究如何優(yōu)化流體射流速度、環(huán)境氣流速度、環(huán)境壓力以及噴孔半徑，而不是如何改變液體密度、液體表面張力系數(shù)等流體的自身特性。
圖1 基于EE方法的各參數(shù)對(duì)最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率的敏感性分析
2.2 物理參數(shù)對(duì)占優(yōu)波數(shù)的敏感性分析
圖2 展示了各個(gè)物理參數(shù)對(duì)占優(yōu)波數(shù)的敏感性分析結(jié)果。射流速度的平均值最大，同時(shí)樣本標(biāo)準(zhǔn)差也最大，這說(shuō)明射流速度的變化對(duì)占優(yōu)波數(shù)，或者說(shuō)對(duì)初次破碎尺度的影響最大，且射流速度同其他參數(shù)之間的耦合作用也最明顯，是一個(gè)需要著重關(guān)注的射流參數(shù)。綜合比較，液相密度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都很小，它對(duì)破碎尺度的影響最小，同其他參數(shù)的耦合作用也很弱。而液體的冪指數(shù)與稠度系數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差也很小，說(shuō)明這兩參數(shù)同樣對(duì)破碎尺度影響很小，與其他參數(shù)之間的耦合作用也很小。
圖2 基于EE方法的各參數(shù)對(duì)占優(yōu)波數(shù)的敏感性分析
2.3 物理參數(shù)對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的敏感性分析
圖3 為各個(gè)物理參數(shù)對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的敏感性分析結(jié)果。液體射流速度的平均值最大，同時(shí)其樣本標(biāo)準(zhǔn)差也是最大的，超過(guò)了6，說(shuō)明射流速度的變化對(duì)不穩(wěn)定波范圍的影響波動(dòng)也是最大的，隨著液體射流速度的增加，其不穩(wěn)定波的范圍會(huì)逐漸增大，越小的波會(huì)變得越不穩(wěn)定。此外，除了液相密度，液體表面張力、噴孔半徑、環(huán)境氣體密度和氣流速度4 個(gè)影響因子平均值很大，說(shuō)明這4 個(gè)參數(shù)對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的影響也很大，同時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)差也都超過(guò)了2.0，這說(shuō)明它們的耦合作用也較強(qiáng)。但是相比較射流速度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，這4 個(gè)影響因子對(duì)不穩(wěn)定波范圍影響還是小很多，只有氣流速度的平均值超過(guò)了10?？傊?，除了液相密度以外，其余不論射流參數(shù)、環(huán)境參數(shù)還是結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)不穩(wěn)定波范圍的影響都很大。
圖3 基于EE方法的各參數(shù)對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的敏感性分析
2.4 物理參數(shù)對(duì)液體射流過(guò)程影響趨勢(shì)的分析
在圖4a 中可以看到，氣相速度、氣相密度和噴嘴半徑對(duì)射流不穩(wěn)定性的影響都是單調(diào)遞增的，表明隨著數(shù)值的增加，射流愈發(fā)不穩(wěn)定。液相密度、表面張力、稠度系數(shù)和冪律指數(shù)對(duì)射流不穩(wěn)定性的影響是單調(diào)遞減的，這些參數(shù)對(duì)射流不穩(wěn)定性會(huì)起到相反的作用。在圖4b 中可以看到，環(huán)境介質(zhì)因素以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)破碎尺度都是單調(diào)正向影響，環(huán)境氣體與射流表面之間的相互作用會(huì)優(yōu)化初次破碎尺度。對(duì)于與液相相關(guān)的各種參數(shù)，射流速度對(duì)破碎尺度的影響非常明顯，要比所有的影響因子的累加都高。在圖4c 中，除了液體密度之外，影響因子對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的影響都是單調(diào)的，其中只有液體表面張力對(duì)截?cái)嗖〝?shù)的影響是單調(diào)遞減的，即表面張力越大則不穩(wěn)定表面波范圍越小。噴孔半徑、環(huán)境氣體密度以及氣流速度能夠促進(jìn)射流不穩(wěn)定，也能優(yōu)化初次破碎結(jié)果和擴(kuò)大射流的不穩(wěn)定波范圍。而冪律流體的特征參數(shù)則降低射流不穩(wěn)定性和破碎效果，這也解釋了為什么冪律流體要比牛頓流體更難破碎。同時(shí)，為了讓冪律流體射流更容易失穩(wěn)，在提升液體射流速度的時(shí)候，也要考慮瑞利模式與泰勒模式之間的轉(zhuǎn)換，在一定射流速度范圍內(nèi)，提升射流速度反而有可能會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果。因此，在此建議在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于橫風(fēng)下冪律流體燃料圓射流破碎及霧化過(guò)程中，可以更多地關(guān)注敏感因素如環(huán)境參數(shù)、射流速度以及噴孔尺寸等，而不是在那些不敏感因素上。
圖4 各參數(shù)敏感性分析
03、結(jié)論
(1) 冪律燃料射流的最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率對(duì)氣相參量的變化非常敏感，如氣相密度的均值超過(guò)了0.05，橫向氣流速度的均值大于0.15 且標(biāo)準(zhǔn)差大于0.06；橫向氣流速度對(duì)射流不穩(wěn)定過(guò)程的影響為非線性的，那么在實(shí)際選擇時(shí)，需要根據(jù)具體的需求以及工況變化范圍，對(duì)氣流速度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，此外，雖然最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率對(duì)射流速度的變化并非十分敏感，但是其標(biāo)準(zhǔn)差很大，表明射流速度與其余參量之間的相關(guān)性很強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了0.06；而射流燃料的密度對(duì)其不穩(wěn)定性的影響較小。
(2) 對(duì)于初次破碎尺度，燃料射流速度、噴孔直徑、環(huán)境氣體密度以及表面張力系數(shù)的均值數(shù)值均大于2.0，標(biāo)準(zhǔn)差大于1.5，這表明射流初次破碎尺度對(duì)該4 個(gè)參數(shù)的變化非常敏感，同時(shí)這些參數(shù)同其余參數(shù)的耦合作用也很明顯。
(3) 對(duì)于射流表面波波長(zhǎng)的產(chǎn)生范圍，燃料射流速度的均值大于15.0，標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)6.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其余參數(shù)，這表明射流表面波波長(zhǎng)范圍對(duì)射流速度的變化非常敏感，同時(shí)由于其標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明射流速度同其他參量之間的耦合作用很強(qiáng)。綜合來(lái)看，射流的不穩(wěn)定性對(duì)氣/液兩相速度的變化最敏感，同時(shí)這兩個(gè)參數(shù)與其他參數(shù)的耦合作用明顯，數(shù)值上的變化會(huì)引起射流最大擾動(dòng)增長(zhǎng)率及破碎尺度的較大波動(dòng)；在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，為保證冪律流體燃料圓射流更容易與氧化劑充分反應(yīng)，應(yīng)將更多精力放于如何控制射流速度及周圍環(huán)境氣體上，這樣會(huì)有更好的收益。
04、參考文獻(xiàn)
[1]郭瑾朋,王毅博,白富強(qiáng),杜青.橫風(fēng)下冪律燃料射流的全局敏感性分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,39(05):445-450.
期刊
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國(guó)家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)收錄，多年來(lái)一直位居我國(guó)“中文核心期刊要目”能源與動(dòng)力工程類前列?！秲?nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》主要刊載內(nèi)燃機(jī)方面有較高學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值的學(xué)術(shù)性論文，在海內(nèi)外有廣大的讀者群，是內(nèi)燃機(jī)工作者的良師益友，歡迎登錄《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》官方網(wǎng)站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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