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橫風環(huán)境中燃油霧化的微觀特性

2021-12-31 00:09:03·  來源：內(nèi)燃機學報  
　
近年來，學者們對橫風條件下燃油的噴霧特性不斷進行探索。但橫風條件下燃油噴霧的研究主要集中在噴霧的宏觀特性上，對微觀特性的研究則鮮見報道。此外，在以往研
近年來，學者們對橫風條件下燃油的噴霧特性不斷進行探索。但橫風條件下燃油噴霧的研究主要集中在噴霧的宏觀特性上，對微觀特性的研究則鮮見報道。此外，在以往研究中，氣流方向與噴霧方向多成180°，對側面氣流作用下噴霧形態(tài)的研究較少。為了全面地掌握燃油噴霧在橫風環(huán)境中的霧化特性，筆者利用粒子圖像分析(PIA)系統(tǒng)對不同橫風速度下燃油噴霧的微觀特性進行試驗，分析橫風對噴霧不同區(qū)域的液滴直徑分布、液滴速度以及噴霧索特平均直徑(SMD)影響；以現(xiàn)有的噴霧SMD 經(jīng)驗公式為基礎，結合筆者的試驗值，得到橫風條件下燃油噴霧SMD與試驗條件、燃油物性參數(shù)及橫風速度的關系。
 
1  試驗裝置 
 
圖1為用于測量不同橫風條件下燃油噴霧微觀特性的裝置示意。其中，PIA 系統(tǒng)的測量原理是：當液滴處于相機預設的焦平面時，液滴將擋住激光而產(chǎn)生陰影，與背景光形成鮮明的對比。而當液滴處于非焦平面時，產(chǎn)生的陰影十分模糊，液滴陰影與背景光之間的對比度減弱。通過設置背景閾值得到的液滴陰影與圖像中液滴陰影之間的區(qū)域稱為液滴光暈。光暈的空間寬度(反應在圖像上為像素點數(shù)量)會隨著液滴偏離焦平面距離的增加而增加。詳細的PAI處理介紹及實驗條件見參考文獻[1] 。

圖1 橫風條件下燃油霧化特性的裝置示意 
 
2  結果和討論
 
為了進一步理解噴霧霧化及后續(xù)燃燒過程，筆者對橫風條件下燃油噴霧微觀特性進行了研究，主要包括液滴直徑分布、液滴速度及SMD 等。液滴直徑分布可以反映液滴的破碎程度，液滴速度反映了噴霧的擴散過程，SMD代表霧化質(zhì)量的優(yōu)劣。
 
2.1 液滴直徑分析
 
圖2 示出無橫風和橫風速度為20 m/s 條件下X＝0 mm 處的液滴直徑分布?？芍?，兩種條件下的液滴直徑分布近似呈對數(shù)正態(tài)分布。無橫風狀態(tài)下，C0(0，15)和C0(0，25)兩個測量位置中直徑為11.5 μm 的液滴數(shù)量最多。而在橫風速度為20 m/s 條件下，同樣位置(C20(0，15)和C20(0，25))處直徑為10.5 μm 的液滴數(shù)量最多，表明橫風促進了噴霧的破碎，使得小液滴數(shù)量增多。
 
圖2b 中，C20(0，50)的曲線峰值比C20(0，15)和C20(0，25)的曲線峰值顯著降低，液滴直徑分布更加均勻。這主要是因為距離噴嘴越遠的測量位置內(nèi)的液滴受橫風作用時間越長，液滴隨橫風運動的距離就越遠。因而C20(0，50)處的小液滴在長時間的橫風作用下將被運送至背風側，這使得該位置的小液滴數(shù)量大大減少，而尺寸較大的液滴不易受到橫風的影響而保留在該區(qū)域內(nèi)。

 
圖2 無橫風和橫風速度為20 m/s下X＝0 mm液滴直徑分布
 
2.2 液滴速度分析
 
對比圖3a 和圖3b 中綠色方框內(nèi)的各個測量位置可知，同一垂直距離下，圖3b 框內(nèi)6 個測量位置的垂直速度分量Vy 均小于無橫風條件下對應垂直距離處的Vy，一方面，這6 個測量位置中的液滴主要是隨橫風運動而來，相比于圖3a 中主噴霧液滴的Vy 要小的多；另一方面，在橫風環(huán)境中，液滴可能會受到與其運動方向相反的力，導致其垂直速度分量減小。C20(0，50)、C20(20，50)和C20(30，50)3個測量位置的水平速度分量Vx 呈先減小后增大的趨勢，這種特殊的變化趨勢也證明了在背風區(qū)域有卡門渦街的存在。圖3c 示出橫風速度為50 m/s 條件下各測量位置的速度分量。由Y＝50 mm 處的4 個測量位置的速度分量發(fā)現(xiàn)，Vy沿X 軸方向逐漸減小，而Vx沿X 軸方向呈先增大后減小的趨勢。

圖3 不同橫風速度下各測量位置速度分量
 
2.3 液滴SMD
 
SMD 是噴霧液滴平均直徑中最為常用的一種表述，橫風條件下燃油噴霧SMD 與試驗條件、燃油物性參數(shù)及橫風速度的計算關系式如下所示：

表1 為不同橫風速度下SMD 的測量值和利用上式得到的SMD 計算值對比。偏差結果顯示，在橫風風速為40 m/s 時出現(xiàn)了最大偏差(0.390 μm) 。而利用PIA 系統(tǒng)對噴霧液滴進行測量時，每個像素點所代表的實際長度為2.125 μm，因而計算偏差可以忽略。不計，同時證明了該計算關系式在筆者采用的試驗條件下具有較高的擬合度。
 
表1 為不同橫風速度下SMD 的測量值和利用

  
 
3  結論
 
(1) 在不同的燃油噴霧區(qū)域內(nèi)，液滴直徑多呈對數(shù)正態(tài)分布；橫風條件下的液滴直徑分布更加集中，并且液滴尺寸整體較小，橫風可促進噴霧的破碎，改善燃油的霧化特性。
 
(2) 在無橫風條件下，噴霧軸線上液滴的水平速度分量Vx基本為0，越靠近噴霧邊緣的液滴的Vx越大；橫風條件下噴霧場背風區(qū)域存在卡門渦街。
 
(3) 結合現(xiàn)有的SMD 經(jīng)驗公式和筆者試驗結果，擬合得到了橫風條件下燃油噴霧SMD 與試驗條件、燃油物性參數(shù)及橫風速度關系式。
 
4  參考文獻
 
[1]楊繼雅,王 超,王 也,等.橫風環(huán)境中燃油霧化的微觀特性[J].內(nèi)燃機學報,2021,(06):515-522.
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