燃油霧化

在柴油機(jī)中，一般應(yīng)用燃油噴射的方法以生成細(xì)小的油滴群，目的是增加蒸發(fā)氣化面積，提高燃燒率。但燃油噴射是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其原因有四點(diǎn):

（1）燃油噴射是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

（2）燃油噴霧不僅受到噴嘴結(jié)構(gòu)形式、噴射壓力的影響，而且受到氣缸內(nèi)壓力、溫度、氣流運(yùn)動(dòng)的影響，各自的霧化機(jī)理并不完全相同。

（3）燃油進(jìn)入氣缸后油束的生成過(guò)程又十分復(fù)雜，其包括油束霧化，油滴破裂，油滴碰撞和聚合，油束碰壁以及燃油多種成分的蒸發(fā)等。

（4）油束的主要部分油滴十分密集，根據(jù)觀察，從噴嘴出口就形成一個(gè)液體核心，其長(zhǎng)度根據(jù)不同噴射系統(tǒng)在 10 ~ 30 mm 之間，液核的生成與破裂研究的還不夠。此外，密集的油滴使激光技術(shù)的應(yīng)用十分困難，因此，描述油滴破裂、聚合等動(dòng)態(tài)過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也很少。

測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得測(cè)量噴霧場(chǎng)的速度、溫度、密度和濃度也趨于精確，并且為計(jì)算模擬提供了較為精確的基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 80 年代中期首先提出高速攝影方法用于研究渦流式柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，在同一個(gè)攝影過(guò)程中采用兩種不同的方法，在同一幅底片上拍攝到同一時(shí)刻噴霧過(guò)程和火焰擴(kuò)展過(guò)程的兩幅圖像(圖 2)，從而獲得包括空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)噴霧及燃燒過(guò)程影響在內(nèi)的場(chǎng)信息。

過(guò)程與燃燒過(guò)程的研究更緊密地聯(lián)系在一起，為深入地研究柴油機(jī)燃油噴霧、混合和燃燒過(guò)程提供了有效的研究手段。數(shù)值模擬也不斷完善，對(duì)噴霧的機(jī)理和模型提出了各種理論，通過(guò)結(jié)合大型計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)多款 CFD計(jì)算軟件，建立準(zhǔn)確的模型和完善算法是 CFD 所要最求的方向。

燃油霧化CFD 計(jì)算法

在內(nèi)燃機(jī)的噴霧過(guò)程研究中，多維數(shù)值技術(shù)得到迅速發(fā)展，其中最廣泛采用的是離散液滴模型(DDM)，即把燃油看成由若干離散的具有代表性的計(jì)算質(zhì)點(diǎn)組成，在歐拉坐標(biāo)下描述氣相運(yùn)動(dòng)，在拉格朗日坐標(biāo)下描述油滴的運(yùn)動(dòng)。在噴霧混合過(guò)程中，油滴穿過(guò)氣場(chǎng)，與之進(jìn)行品質(zhì)、動(dòng)平衡能的交換。

由此可以計(jì)算出噴霧粒子在氣場(chǎng)中不同時(shí)刻的位置、速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡，也可以繪出氣場(chǎng)中的燃油濃度分布。一些更加合理但較復(fù)雜的理論模型，如波動(dòng)分裂霧化理論、多步燃燒反應(yīng)模型及液柱與壁面碰撞模型，也逐漸進(jìn)入了理論研究日程，并構(gòu)成了內(nèi)燃機(jī)噴射過(guò)程多維研究中的新進(jìn)展。模擬缸內(nèi)工作的多維反應(yīng)流計(jì)算軟件主要有 KIVA、STAR-CD 及 FLUENT等。這些方法的計(jì)算工作量大且較復(fù)雜，需要大型計(jì)算機(jī)才能完成。

人們?cè)谶M(jìn)一步研究新的算法的同時(shí)也不斷地對(duì)已有的方法進(jìn)行完善和補(bǔ)充。在 KIVA-II的改進(jìn)中，Reitz 提出了液柱霧化的滴團(tuán)（blob)算法。國(guó)內(nèi)還開(kāi)發(fā)出 NMS-ICE 計(jì)算機(jī)軟件包，它由 KIVA軟件拓展和改進(jìn)而成。針對(duì)柴油機(jī)軸針式噴油系統(tǒng)的瞬間燃油噴注貫穿和蒸發(fā)進(jìn)行了深入的數(shù)值模擬。針對(duì)原 KIVA計(jì)算中蒸發(fā)量不足的問(wèn)題，建立了燃

油霧化參數(shù)(如油滴直徑及其分布，噴霧錐角)的具體算法，并考慮了液滴的二次霧化問(wèn)題。其中，初始霧化模型的建立把多維模型中缸內(nèi)工作過(guò)程與缸外供油過(guò)程密切聯(lián)系起來(lái)，有利于分析噴油系統(tǒng)對(duì)噴霧混合過(guò)程的影響。

燃油霧化粒子霧場(chǎng)測(cè)量法

油噴射是一個(gè)多相、瞬態(tài)的復(fù)雜過(guò)程，霧滴具有尺寸小，范圍大，數(shù)量多的特點(diǎn)，且隨時(shí)間和空間而變化，因此，定量地測(cè)定噴霧場(chǎng)的濃度和粒度分布都是十分難的。國(guó)內(nèi)的研究工作都還沒(méi)有達(dá)到很高的水平，早期的研究大都是在模擬中進(jìn)行的。近十幾年來(lái)，各種非接觸測(cè)量法迅速發(fā)展起來(lái)，使噴霧研究又向前邁進(jìn)了一大步，能對(duì)實(shí)際噴霧場(chǎng)進(jìn)行多維重現(xiàn)，精確測(cè)量粒徑、三維速度及噴介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。為了獲得霧化品質(zhì)評(píng)價(jià)的直接證據(jù)及驗(yàn)證液滴尺寸分布函數(shù)，需要進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)及測(cè)量霧化液滴的直徑。測(cè)量方法主要分為三類：機(jī)械測(cè)量、電子測(cè)量和光學(xué)測(cè)量。

（1）機(jī)械測(cè)量法

噴霧粒子的測(cè)量，機(jī)械測(cè)量方法主要有液滴固化法、沉降法、壓痕法等。它們?cè)谝欢ǔ潭壬汐@得粒徑的結(jié)果，但主要用來(lái)模擬探索影響噴霧的因素(如噴射壓力，噴孔形狀等)及其相互關(guān)系，屬于定性的研究。因此這些方法在原理和結(jié)構(gòu)上都存在較多缺陷，使測(cè)量結(jié)果不能完全反映被測(cè)噴霧場(chǎng)的情況。

（2）電子測(cè)量法

電子測(cè)量法是基于對(duì)液滴所產(chǎn)生電子脈沖的測(cè)量和分析，并將其轉(zhuǎn)化成液滴尺寸的分布圖譜。該方法屬于統(tǒng)計(jì)方法，包括電極法、導(dǎo)線法和熱線法。其主要優(yōu)點(diǎn)是易于計(jì)數(shù)，節(jié)省測(cè)量時(shí)間。共同的問(wèn)題是：如果電極、導(dǎo)線或熱線的安裝數(shù)目少，則不能代表整個(gè)噴霧場(chǎng)的情況；但若安裝太多，則會(huì)對(duì)噴霧場(chǎng)形成干擾。

（3）光學(xué)測(cè)量法

激光 CT 技術(shù)，通過(guò) Radon 變換可以實(shí)現(xiàn)從多個(gè)角度的二維投影數(shù)據(jù)重建三維燃油噴霧圖像。按光衰減原理和相應(yīng)的算法可以求出燃油噴霧的相對(duì)濃度。由于 CT 技術(shù)要求快速、準(zhǔn)確地采集噴霧的透射光信號(hào)，并且要得到許多角度(連續(xù)變化)的投影數(shù)據(jù)，從而增加了驗(yàn)量的工作量和難度。近來(lái)國(guó)內(nèi)又有提出用 ART(迭代重建法的一種)對(duì)噴霧進(jìn)行重建的法，使重建精度有所提高，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)噴霧內(nèi)部構(gòu)造的可視化和三維相對(duì)濃度分布測(cè)量。

PIV 技術(shù)，PIV 技術(shù)利用噴射液滴對(duì)入射光產(chǎn)生Mie 氏散射的原理，并以此作為示蹤粒子，用照相機(jī)對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行瞬時(shí)拍照。PIV 照片經(jīng)圖象處理可以得到噴霧液滴的速度分布，同時(shí)，對(duì) PIV 照片微小區(qū)域的液滴圖像分析可得到液滴直徑的大小及分布等信息。其實(shí)驗(yàn)裝置可分為成像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，如圖 3 所示。雙脈沖激光器、透鏡和相機(jī)組成成像系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)包括氮氖激光器、擴(kuò)束器、空間濾波器及計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)，用于完成從兩次曝光的粒子圖像中提取速度場(chǎng)。PW 技術(shù)是燃油噴霧研究手段的一大進(jìn)步，其優(yōu)點(diǎn)是突破了空間單點(diǎn)測(cè)量的局限性，能在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)流場(chǎng)的有關(guān)信息，并定量地描述流場(chǎng)。

激光光譜法，其原理是：激光束照射被測(cè)霧場(chǎng)，被測(cè)點(diǎn)的散射光強(qiáng)與該點(diǎn)的密度和溫度有關(guān)，接受該散射光并對(duì)它進(jìn)行分析，就可以得到被測(cè)點(diǎn)的密度與溫度。激光光譜用于柴油機(jī)噴霧濃度分布的測(cè)量方法有拉曼光譜法、激光誘導(dǎo)熒光光譜法以及相干斯托克斯拉曼光譜法（CARS）。這些方法適用于噴霧液相和氣相分離的測(cè)量，但還沒(méi)研究出一種令人十分滿意的熒光劑。值得一提的是，CARS 法具有良好的信號(hào)強(qiáng)度，能消除熒光干擾，背景光、雜散光的影響也很小，被認(rèn)為是一種良好的測(cè)試手段，能進(jìn)行完全定量測(cè)試。

對(duì)液體的霧化機(jī)理研究，已得到了幾種不同的重要理論。柴油機(jī)中的燃油霧化是利用壓力噴嘴使燃油從噴口中高速流到環(huán)境氣體中而破碎成離散液滴。研究表明，在柴油機(jī)噴射條件下，不僅有射流破碎過(guò)程(稱為一次霧化)，而且破碎后的液滴會(huì)繼續(xù)分裂形成細(xì)小液霧(稱為二次霧化)，噴霧特性最終就是由這兩個(gè)過(guò)程決定的?？梢园堰@個(gè)過(guò)程看作是在內(nèi)外力作用共同影響下的液流破裂。

一方面，液體的表面張力迫使它形成一個(gè)小球體因?yàn)檫@樣才具有最小表面能量；液體的粘性力則試圖保持液體原有的形狀。另一方面，作用在液體表面的空氣動(dòng)力要促使它分裂。當(dāng)空氣動(dòng)力之和大于表面張力與粘性力之和時(shí)，會(huì)發(fā)生液體的破裂。由此可見(jiàn)，表面張力和粘度是影響噴霧的主要因素。另外，噴孔的尺寸和形狀噴射流體和噴射環(huán)境都對(duì)霧化狀況有一定影響。

液態(tài)燃油噴入燃燒室空間后，形成一個(gè)由液柱、油滴、油蒸汽和空氣組成的多相混合物的場(chǎng)，我們稱之為噴霧場(chǎng)。噴霧場(chǎng)在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上都是瞬變而又不均勻的。為了研究方便，將整個(gè)噴霧場(chǎng)劃分為不同的區(qū)域。燃油噴霧是兩相混合物，從氣液兩相混合作用的角度出發(fā)，Bracoc 和 0‘Ruokre 把燃油噴霧場(chǎng)按其離噴嘴的距離由遠(yuǎn)到近依次劃分為極稀薄區(qū)、稀薄區(qū)、稠密區(qū)和翻騰流區(qū)四個(gè)區(qū)域。

燃油霧化極稀薄區(qū)

這是噴霧場(chǎng)最外圍的部分，由于液滴在空間的分散，且在此過(guò)程中大部分品質(zhì)被蒸發(fā)，因而油滴微小且分散，與氣體相比較可以忽略其品質(zhì)和體積。對(duì)油滴而言，氣體就像一個(gè)無(wú)窮大的“匯”，盡管油滴與氣體之間有質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換作用，但認(rèn)為氣體不受此交換過(guò)程的影響。同時(shí)油滴之間的相互作用，如碰撞、變形、聚合、破碎和振動(dòng)等均可忽略。唯一需要考慮的是如何描述油滴的湍流擴(kuò)散。從數(shù)值模擬的角度來(lái)看，對(duì)該區(qū)只需求解氣相方程，可忽略顆粒相。

燃油霧化稀薄區(qū)

該區(qū)中的油滴的數(shù)密度大于第一區(qū)，其總質(zhì)量與氣體相比是可觀的，但所占體積仍然是微不足道的。這意味著油滴間距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑，故可忽略油滴間直接的相互作用。但“油滴 - 氣體 - 油滴”之間的間接作用是不可忽略的。

燃油霧化稠密區(qū)

在此區(qū)中，油滴在兩相混合物中占據(jù)了可觀的體積，但仍以離散態(tài)存在于連續(xù)的氣相場(chǎng)中。與稀薄區(qū)相比，油滴間的距離要小的多，故不能再忽略油滴間的相互作用。主要包括兩類效應(yīng)：碰撞和準(zhǔn)碰撞，準(zhǔn)碰撞的頻率遠(yuǎn)大于碰撞頻率，碰撞的直接后果是油滴的變形、聚合或破碎，從而對(duì)噴霧場(chǎng)的平均滴徑等參數(shù)有重要的影響。

燃油霧化翻騰流區(qū)

在緊鄰液核的周圍地帶，液體己經(jīng)開(kāi)始分裂。但由于在兩相混合物中，液體所占體積分?jǐn)?shù)與氣體相當(dāng)甚至超過(guò)之，故燃油不能在氣體中彌散開(kāi)形成油滴，而是以薄片、纖絲或網(wǎng)格的形式存在。翻騰流是霧化過(guò)程的第一步產(chǎn)物，研究其特性對(duì)揭示霧化機(jī)理有重要意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和霧化機(jī)理是一個(gè)既具有廣泛工程實(shí)踐意義又具有重要理論價(jià)值的研究課題。盡管研究的很有深度，但到問(wèn)題的徹底解決看來(lái)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。為此，從分析可知燃油噴射霧化的發(fā)展方向：

（1）從理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三條途徑同時(shí)人手，進(jìn)行更深人的探索理論上，突破線性理論的范圍與霧化有關(guān)的一系列現(xiàn)象，應(yīng)用流體力學(xué)的非線性穩(wěn)定性理論和兩相流理論去得到霧化機(jī)理的完善解釋。

（2）對(duì)柴油機(jī)噴霧場(chǎng)這種極短暫而細(xì)微的過(guò)程（時(shí)空分別以 ms 和為 mm 量級(jí)），其發(fā)展時(shí)間和空間分辨率都需要更高的新測(cè)試技術(shù)。

（3）噴霧研究方法眾多，沒(méi)有一種研究方法是完全令人滿意的，每種測(cè)試技術(shù)在一定范圍都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在噴霧研究過(guò)程中，我們應(yīng)充分發(fā)揮這些技術(shù)各自的長(zhǎng)處，根據(jù)不同的研究目的選擇適宜的研究方法。今后，噴霧測(cè)試技術(shù)的發(fā)展將由定性測(cè)量轉(zhuǎn)移到定量測(cè)量，由一維、二維測(cè)量轉(zhuǎn)移到多維測(cè)量。

霧化特性指噴嘴結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)、霧化劑及霧化介質(zhì)的物性等因素對(duì)噴嘴霧化性能的影響規(guī)律。為了全面評(píng)價(jià)噴嘴霧化性能，提出了多項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，主要包括：霧化細(xì)度、霧化均勻度，以及霧化錐角等。

霧化噴嘴霧化細(xì)度

霧化后的液滴大小反映了霧化的顆粒細(xì)度，是評(píng)定霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，霧滴的顆粒越細(xì)，就越易加熱、蒸發(fā)和燃燒。但是霧化過(guò)細(xì)也不好，燃料由噴嘴噴出后會(huì)馬上被氣流帶走，在某一區(qū)域形成過(guò)濃的混合物；而在油滴無(wú)法射到的地方，混合物的濃度卻很低。濃度場(chǎng)的這種分布會(huì)縮小燃燒穩(wěn)定性范圍，降低燃燒效率。由于液滴直徑的大小是不均勻的，最大和最小有時(shí)可相差 50～100 倍，因此只能用液滴平均直徑概念來(lái)表示霧化細(xì)度。人們提出了多種平均直徑的計(jì)算方法，常用的是質(zhì)量中間直徑（MMD）和索太爾平均直徑（SMD 或 D32）。

D32相當(dāng)于液霧內(nèi)全部液滴的容積與總表面積的比值，它真實(shí)反映了液滴群的蒸發(fā)條件，因此對(duì)評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量具有重要意義，被廣泛用作燃料噴嘴的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

霧化噴嘴霧化均勻度

霧化均勻度是指燃料霧化后油滴尺寸的均勻程度。霧化均勻度較差，則大液滴數(shù)目較多，這對(duì)燃燒是不利的。但過(guò)分均勻也是不合理的，因?yàn)檫@會(huì)使大部分油液滴集中在某一區(qū)域，而使燃燒室容積得不到充分利用，也使燃燒穩(wěn)定性受到影響。人們常用液滴尺寸的分布來(lái)描述霧化均勻度。

霧化噴嘴霧化錐角

從噴嘴噴射出來(lái)的燃油噴霧炬是呈中空錐體狀的，它是由許多懸浮于周圍空氣中的，或是在其中運(yùn)動(dòng)的細(xì)小霧滴組成。一般把噴嘴的出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角。噴霧錐角的大小在很大程度上決定了燃料在燃燒空間的分布情況，應(yīng)根據(jù)燃燒室尺寸和燃料與空氣的混合條件來(lái)選擇噴霧錐角。較大的噴嘴錐角不但可以把燃料充分供應(yīng)到空氣中，而且能夠從周圍吸入較多的空氣，使其進(jìn)入到噴霧炬中參加燃料的破碎過(guò)程。但是過(guò)大的錐角會(huì)把燃料噴射到火焰管壁上去，造成積炭和不完全燃燒。當(dāng)然錐角不宜過(guò)小，否則會(huì)使燃油液滴不能有效地分布到整個(gè)燃燒室空間，過(guò)多的噴射到缺氧的回流區(qū)中，造成與空氣的不良混合，發(fā)生析炭，產(chǎn)生排氣冒煙。此外噴霧錐角的大小還影響到火焰外形的長(zhǎng)短，如角度較大，火焰則短而粗；反之，則細(xì)而長(zhǎng)。

超聲霧化法是高速氣流以80-100KHz的頻率和2-2.5馬赫的高速度沖擊液態(tài)金屬流，使其霧化成小液滴，隨后凝固成粉末。高速?zèng)_擊由多個(gè)哈曼振動(dòng)波管產(chǎn)生，哈曼管同心分布在金屬液流的四周。每個(gè)哈曼管由一個(gè)可調(diào)節(jié)的共振腔組成，當(dāng)氣體通過(guò)噴管流出時(shí)，氣流能引起伯努利(Bernoulli)效應(yīng)，達(dá)到超音速度，并具有超聲頻率。另外，超聲駐波霧化法也可以產(chǎn)生超聲霧化。跟普通高壓霧化和水霧化的三階段過(guò)程相比，超聲霧化金屬液在一個(gè)階段就被多個(gè)細(xì)小射流沖擊剪碎成金屬霧滴，所得粉末尺寸比較集中，平均尺寸小于20μm，粉末收得率超過(guò)90%，由枝晶臂間距估算冷卻速度超過(guò)106℃/s。超聲霧化能量消耗低，比普通霧化節(jié)能約1/4。目前生產(chǎn)鋁、純鈷、鎳和鐵、鎳基和鈷基合金等已達(dá)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，而對(duì)于鈦等高熔點(diǎn)合金仍在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究之中。已有報(bào)導(dǎo)采用超聲速層狀氣流由2000℃的金屬和陶瓷熔液制粉獲得成功。 2100433B

霧化液流的手段很多，例如高壓水流或氣流霧化、離心力霧化和超聲波霧化等。采用高壓水流或氣流霧化的方法通常稱為二流霧化。水的冷卻能力強(qiáng)而且價(jià)格便宜,因此水霧化是制取金屬或合金粉末最常用的方法。下面以二流等化法制鐵粉為例介紹霧化法生產(chǎn)金屬粉末的基本過(guò)程。