溶有甲烷煤油的稳态喷雾特性研究

第!卷!第#期$%&年#月!西!安!交!通!大!学!学!报()*+,-(./0 1,+0,(2(+3)+0 4 5*6 0 2 74 8 9:!;#%?西安#$:日本群马大学工学部机械工程系!N!M&#&桐生群马日本$摘要研究了当溶有甲烷的煤油稳态通过直圆孔喷嘴时形成减压沸腾喷射的喷雾特性!试验使用了基于小角度向前散射理论的激光粒度分析仪和数码照相机:由溶解压力控制甲烷的溶解量!利用溶解气体释放产生的沸腾现象来改善雾化:分析了不同的甲烷溶解量#测量位置#喷射压力和喷嘴长径比对流量系数#喷雾形状和锥角#索特平均直径的影响:研究表明 对应于不同长径比的喷嘴!存在一个溶解度临界值!溶解度大于该值时促进雾化!小于该值时抑制雾化$甲烷的溶入使煤油喷雾锥角急剧增大$喷嘴内部气液两相流的性质对溶气油喷雾特性有很大的影响:关键词%喷雾特性$减压喷射$溶气油$甲烷$煤油中图分类号%2?$#?!文献标识码%,!文章编号%$&!M /!$%&$%#!%!#!%&3)9(*$%6,$%+)+10$(,&0 D.,7:,.,/$(.%*$%/*1+.=(.+*()(7+)$,%)%)62%*+#9(&!($:,)(+)#$%J$K 0#$%#C 2 0 L-H#/#$M*0 0()0 M)0%#$!#$%+)#J 0#$%?*2 0$%#!#:6 H H C C J-X 8 L H 8 L J8 Pe V 9 H A Y G T C.9 8 SA=R 8 S C L5=K A=C C L A=K/A 1 =A 8 H 8=K)=A B C L T A H J/A 1#%?U G A=#$:d C Y L H F C=H8 Pe C O G =A O 95=K A=C C L A=K.O V 9 H J8 P5=K A=C C L A=K3 V=F)=A B C L T A H J A L J V3 V=F N!M&#&Y =$8*$.,/$%6 Y L JO G L O H C L A T H A O T8 PP 9 T G A=KA=W C O H A 8=S C L CA=B C T H A K H C QP 8 LZ C L 8 T C=CO 8=H A=A=KQ A T T 8 9 B C QF C H G =C H G L 8 V K GT H L A K G H D L 8 V=Q C Q D G 8 9 C=8 I I 9 C TX JV T C8 P Y L H A O 9 CT A I C=9 J I C LX T C Q8=H G C=L L 8 S D =K 9 CP 8 L S L Q D T O H H C L A=KH G C 8 L J=QQ A K A H 9O F C L :2 G CO 8=O C=H L H A 8=8 PF C H G =CA=Z C L 8 T C=CS TO 8=H L 8 9 9 C QX JQ A T T 8 9 B A=KY L C T T V L C=QH G CP 9 T G A=KY G C=8 F C=8=Y L 8 Q V O C QX JT C Y L H A=KQ A T T 8 9 B C QF C H G =CS TC F DY 9 8 J C QH 8 A F Y L 8 B C H 8 F A I H A 8=:2 G CC P P C O H T8 P O 8=O C=H L H A 8=8 PQ A T T 8 9 B C QF C H G =CF C T V L C F C=HY 8 T A H A 8=A=W C O H A 8=Y L C T T V L C=Q9 C=K H G D H 8 D Q A F C H C L L H A 88 P=8 I I 9 C!,&?$8=Q A T O G L K CO 8 C P P A O A C=HT Y L JY H H C L=T Y L J=K 9 C=Q6 V H C LF C =Q A F C H C L TS C L CC F A=C Q:2 G CL C T V 9 HT G 8 S TH G H P 8 LQ A P P C L C=H,&?=8 I I 9 C TH G CO 8 L L C T Y 8=Q A=KO L A H A O 9 B 9 V C T8 PF C H G =CO 8=O C=H L H A 8=C A T H:G C=O 8=O C=H L H A 8=A T X 8 B C H G CO L A H A O 9B 9 V C H G C H 8 F A I H A 8=A T A F Y L 8 B C Q=QX C 9 8 SH G CO L A H A O 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一方面希望利用溶气改善雾化使燃烧更完善并且由于UE?是可燃气体而不影响动力性 另一方面希望利用UE?较高的自燃温度及燃烧较迟的特性 从而进一步氧化燃油在燃烧时产生的炭粒 减少炭烟排放:本文主要试验研究在煤油中溶入UE?对稳态喷雾特性的影响:#!试验装置和方法从图#可以看出UE?与煤油在图示的高压容器中混合溶解:在测量溶解度时 从高压容器中取出少量溶气油 送到已知体积的低压容器中 这时溶在煤油中的UE?就在低压环境下释放出来 引起容器内的压力升高:通过与低压容器相连接的)型管测压计 可以测得压力的升高值 利用气体状态方程式就可以求出释放出来的UE?体积%标准环境状态&再利用电子天平测得取出燃油的量 由此可得UE?在煤油中的溶解度:溶解度是指单位体积煤油中溶入的标准环境状态下的UE?体积:根据E C=L J定律UE?在煤油中的溶解度随着溶解压力的增加而增大:溶解度的值通过溶解压力控制 并保证有足够的溶解时间使气体与煤油均匀混合:试验的溶解压力取值范围为#&#%eR%M&和#%eR :试验使用的是直圆孔喷嘴 孔径%?&为%!FF 长径比%,(?&分别为&#%$%!%?%和&%:喷雾的形状用数码相机拍照:喷雾粒子的粒径和分布规律采用-d 6,#!%,激光粒度分析仪%E C D+C激光器&测量 其功率为$F 波长为N!$M=F 激光光束直径是#%FF 透镜的焦点距离选用!%FF:测量的粒径范围是#M&#%&F 索特平均直径%?!$&值的范围是#%#&%&F:试验选用*8 T A=D*FF 9 C L分布函数对数据进行拟合:燃油垂直向下稳态喷向大气环境 试验用煤油的编 号 是 0 6#%日 本 煤 油 编号&:图#!试验装置图$!试验结果分析A:!流量系数测量图$为纯煤油和溶气油的流量系数%Q&随,(?变化的规律 试验的喷射压力%I&是M&eR :可以看出 每一种燃油的流量系数都随着,(?的增大而减小 这是由于直圆孔喷嘴的流量系数与喷孔通道内的压力损失有关:当流体通过缩流后 恢复了与管壁的接触 随着,(?的增大 压力损失增加 导致了流量系数的减小:在相同的,(?时 流量系数随溶解度%&的增大而减小 这是由于当溶有较多UE?的煤油从高压喷射到低压环境时 有更多溶解气体从燃油中释放出来 在喷孔内产生更多更大的气泡 使气液两相流的含气率增高 压力损失增大导致流量系数减小:试验表明 溶解度越大 流量系数越小:图$!流量系数随喷嘴无量纲长度变化的规律A:A!喷雾形状和锥角图!示出了不同溶解度对喷雾形状的影响:从$!西!安!交!通!大!学!学!报!第!卷!万方数据图!可以看出!溶气量对煤油的喷雾形状影响非常显著:对于纯煤油和溶解度为#%M的溶气油!喷嘴出口没有明显的喷雾扩散!油束中都有明显的液核!在其周围有稀薄的油雾!说明小溶解度对雾化形状没有明显影响:当溶解度等于和大于$#!时!在喷嘴的出口处!由于溶气的分离作用使喷油急剧扩散!形成截然不同的形状!液核已经看不到!一出口就是比较均匀的油雾!喷雾锥角明显增大:图!X给出了,?不同时喷嘴的喷雾锥角#+$随溶解度的变化规律:锥角的测量方法是在距喷孔出口N%?的地方通过测量喷雾的宽度再经计算获得:从图!可以看出!溶气油溶解度较小时的喷雾锥角小于纯煤油#g%$的喷雾锥角%从溶解度为#%开始喷雾锥角迅速增大!大于$%以后!喷雾锥角随着溶解度的增加基本不再变化:#$喷雾形状的变化#,?g&%&IgM&eR$#X$喷雾锥角的变化图!喷雾形状和锥角随溶解度变化的规律!试验结果分析如下 对于小溶解度的溶气油!由于其含气率低!形成的气泡也小!根据低含气率气液两相流的粘度公式(N)!此时溶气油的粘度要比纯煤油的大!导致煤油喷出时径向分裂受到抑制!从而使喷雾锥角变小%在大溶解度时!由于溶气油的含气率增高!气泡也增大!会出现其粘度小于纯煤油粘度的情况和有利于气泡破裂的气液两相流流型!因此出现了喷雾锥角在某一溶解度时突然急速增大的现象%对于同一种燃油!喷雾锥角随,?的增加而增大!这是由于溶气油在喷嘴中滞留的时间较长!使气泡成长得更充分所致:A!B!测量点位置对B A的影响测量点位置是指从喷嘴出口到测量激光束中心的距离#!$:从图?可以看出!?!$的值随着测量距离的增加而变大!这是由于粒子的蒸发&扩散和聚合特性引起的:随着测量距离的增加!粒子运行到测量点的时间会比油束中产生的大量小粒子的蒸发寿命长!还有一些粒子由于蒸发作用使得其粒径减小并超出仪器的测量范围!这些都会使?!$值随测量距离的增加而变大:另外!由于环境气体的影响!流动中的小粒子比大粒子更容易向油束外围扩散!因此随着测量距离的增加!更多的小粒子被扩散到油束的外围!在油束中心线附近大粒子数目所占的百分比相应增加!而试验测量的?!$是指穿过油束中心的激光束中所包含粒子的特性参数!这也使得随着测量距离的增加!激光束中大粒子的百分比大!测得的?!$值变大:在粒子的运行中!粒子的聚合作用是?!$的值随着轴向距离的增加而增大的另一原因:由于测量距离对喷雾特性有影响!为了便于对比!在本文第$节的试验项目中选用的测量距离是M%FF:由图?中还可以看出!测量距离在&%#%FF的范围内!对于,?等于#%的喷嘴!UE?的溶入对喷雾特性?!$的影响呈现出负效应!即溶气使?!$的值增加!而对于,?等于&%的喷嘴则是正效应:对于同样的燃油!由于,?的不同会出现截然不同的雾化效果:根据文献($)!喷嘴内两相流的流型对雾化效果有很大影响!环状流对雾化最有利!弹状流次之!泡状流往往会抑制雾化!而流型与燃油在喷嘴内的滞留时间有关:对于直圆孔喷嘴!,?越大!溶气油在喷孔中滞留的时间越长!气泡的形成和成长越充分!越易形成弹状流和环状流:当其促进雾化的作用强于喷孔增长而引起的摩擦影响时!就会改善雾化:可见!喷嘴结构参数对溶气油的雾化有着很大影响!这主要是参数,?能改变喷孔内两相流的流型所致:AE C!B A随#!变化的规律喷嘴的无量纲长度,?对?!$的影响表示在图&中!喷射压力是#%eR :图中的实线是纯煤油的?!$随,?变化的曲线!它随着,?的增加而增!第#期!张俊强!等 溶有甲烷煤油的稳态喷雾特性研究万方数据!%?%和?&#$,#?在&#%的范围变化时$?!$有一个突然增加$当,#?大于#%以后$?!$基本不随其变化$特别是溶解度为?&#时$?!$随,#?的增加还稍有减小:这是由于溶气量的增多$在溶气油喷出时能形成弹状流和环状流$有助于雾化的改善:也就是说对于大溶解度的溶气油$喷孔长度的增加使气体有充分的时间分离%成泡%成长$其改善雾化的作用大于因摩擦损失增加抑制雾化的作用:由图&还可以看出$纯煤油的?!$变化特性曲线将整个区域分成了两部分$下部是雾化改善区$上部则是抑制区$溶气对燃油雾化的影响是溶解度和,#?综合作用的结果:由图&也可看出$当,#?#%时$在试验条件下没有出现改善雾化的情况$在,#?g$%以后才有可能改善雾化:A!F!B A随溶解度变化的规律由图N可以看出$由于摩擦损失的影响$,#?越大$纯煤油的?!$值越大:从图N还可以看出$每一种喷嘴都存在着一个改善雾化的溶解度临界值:当溶解度小于该值时$溶气对煤油的雾化起到抑制作用$大于该值则促进雾化:溶解度小于临界值的溶气油雾化受到抑制是由于此时气液两相流粘度要比纯煤油的大$另外溶气少$膨胀力小$不足以使气泡爆裂:高溶解度的溶气油粘度较低且气体膨胀力大$能够克服燃油的表面张力$使产生的气泡爆裂$从而改善了雾化$即溶气油的?!$值比纯煤油的小!同一个喷嘴:对于,#?g#%的情况$在整个试验溶解度范围内$溶气对雾化都起着抑制作用$这是由于燃油在喷孔内的滞留时间短所致:另外从图N也可以看出$随着溶解度的增大$?!$对,#?值的敏感性降低$即各种喷嘴的?!$趋于一致:图N!?!$随甲烷溶解度变化的曲线AE G!喷射压力对B A的影响不同溶气油的?!$值随喷射压力的变化如图所示:可以看出溶气油和纯煤油的?!$值都随着喷射压力的升高而减小$并且变化趋势基本一致:同时从图也可以看出$对于,#?g#%的喷嘴$在试验的压力范围内溶入UE?对煤油的雾化起到抑制作?!西!安!交!通!大!学!学!报!第!卷!万方数据!喷射压力对?!$的影响用$随着溶解度的增加$?!$值增大$直到溶解度为$时$抑制雾化的作用达到最大$溶解度进一步增大$?!$值减小:当,#?g&%eR eR 中可以看出这种影响不是很大:对于更高溶解度的溶气油$在试验情况下$溶气都起到了促进雾化的作用$其?!$值都小于纯煤油的值:!结!论!#UE?的溶入对煤油的雾化效果有正反两方面的影响$它是溶解度和喷嘴结构参数,#?综合作用的结果:对于一定长径比的直圆孔喷嘴$存在一个与其对应的溶解度临界值$溶解度大于该值时促进雾化$反之抑制雾化:!$溶气达到一定溶解度后$气体的分离作用使燃油一离开喷嘴就急剧扩散$形成比较均匀的喷雾$喷雾锥角急速增大:!喷射压力对改善雾化的临界溶解度值影响不大$气液两相流的流型%粘度%摩擦损失对喷雾特性有较大影响:参考文献&#(!*W T G C Z G Ld($F C T.6:,=C Y C L A F C=H 9 =Q=D9 J H A O 9 T H V Q J8 PP 9 T GX 8 A 9 A=KP V C 9A=W C O H A 8=*(:6,5R Y C L$M!%&%:T G A=K H 8=&6,50=O$#M!:$(!J V=K6R$-C C67:,=C Y C L A F C=H 9 A=B C T H A K H A 8=8 PH G C P 9 T G H 8 F A I H A 8=F C O G =A T F(:,H 8 F A I H A 8=Q6 Y L :!(!6 8 9 8 F 8=,6R$U G C=-d$.C H G3 e:0=B C T H A K H A 8=8 PT Y L JO G L O H C L A T H A O TP 8 LP 9 T G A=KA=W C O H A 8=8 PP V C 9 TO 8=H A=A=KQ A T T 8 9 B C Q A L=QT V Y C L G C H C QP V C 9 T*(:+,6,U 8=H L O H 8 L*C Y 8 L H$!&N!:)6,&+,6,$#M$:?(!A L 86$e F 8 L V0$e T Z A7$C H 9:-8 SC F A T T A 8=Q A C T C 9 O 8 F X V T H A 8=T J T H C FX JV T C8 PL C P 8 L F V 9 H C QP V C 9S A H G9 A V A P A C QU($=Q=D H L A Q C O =C*(:6,5 R Y C 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