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。但燃油噴射是一個十分復(fù)雜的過程,其原因有四點(diǎn):
(1)燃油噴射是一個動態(tài)過程。
(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液體核心,其長度根據(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、聚合等動態(tài)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也很少。
測量技術(shù)的發(fā)展,使得測量噴霧場的速度、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)的燃燒過程,在同一個攝影過程中采用兩種不同的方法,在同一幅底片上拍攝到同一時刻噴霧過程和火焰擴(kuò)展過程的兩幅圖像(圖 2),從而獲得包括空氣運(yùn)動對噴霧及燃燒過程影響在內(nèi)的場信息。
過程與燃燒過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、混合和燃燒過程提供了有效的研究手段。數(shù)值模擬也不斷完善,對噴霧的機(jī)理和模型提出了各種理論,通過結(jié)合大型計(jì)算機(jī)開發(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。
液態(tài)燃油噴入燃燒室空間后,形成一個由液柱、油滴、油蒸汽和空氣組成的多相混合物的場,我們稱之為噴霧場。噴霧場在動力學(xué)和熱力學(xué)上都是瞬變而又不均勻的。為了研究方便,將整個噴霧場劃分為不同的區(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)四個區(qū)域。
這是噴霧場最外圍的部分,由于液滴在空間的分散,且在此過程中大部分品質(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。對油滴而言,氣體就像一個無窮大的“匯”,盡管油滴與氣體之間有質(zhì)量、動量和能量交換作用,但認(rèn)為氣體不受此交換過程的影響。同時油滴之間的相互作用,如碰撞、變形、聚合、破碎和振動等均可忽略。唯一需要考慮的是如何描述油滴的湍流擴(kuò)散。從數(shù)值模擬的角度來看,對該區(qū)只需求解氣相方程,可忽略顆粒相。
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。
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,從而對噴霧場的平均滴徑等參數(shù)有重要的影響。
在緊鄰液核的周圍地帶,液體己經(jīng)開始分裂。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)甚至超過之,故燃油不能在氣體中彌散開形成油滴,而是以薄片、纖絲或網(wǎng)格的形式存在。翻騰流是霧化過程的第一步產(chǎn)物,研究其特性對揭示霧化機(jī)理有重要意義。
對液體的霧化機(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,不僅有射流破碎過程(稱為一次霧化),而且破碎后的液滴會繼續(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過程決定的??梢园堰@個過程看作是在內(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力要促使它分裂。當(dāng)空氣動力之和大于表面張力與粘性力之和時,會發(fā)生液體的破裂。由此可見,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)境都對霧化狀況有一定影響。
如果燃油燃?xì)忮仩t的油霧化器出現(xiàn)故障了,會有什么后果
霧化不好,就是冒煙,浪費(fèi),達(dá)不到預(yù)期熱度
就是利用超聲波震動,使得水分子汽化,是一種物理過程,主要就是讓水分子之間的引力變小,間距變大,之后水分子變成了氣態(tài)。
細(xì)水霧噴頭的霧化角就是指細(xì)水霧噴頭噴射出來的霧化效果形成的角度,博美細(xì)水霧噴頭常見的霧化角有45、60、90、120、150等五個規(guī)格。望采納
在內(nèi)燃機(jī)的噴霧過程研究中,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,在拉格朗日坐標(biāo)下描述油滴的運(yùn)動。在噴霧混合過程中,油滴穿過氣場,與之進(jìn)行品質(zhì)、動平衡能的交換。
由此可以計(jì)算出噴霧粒子在氣場中不同時刻的位置、速度以及運(yùn)動軌跡,也可以繪出氣場中的燃油濃度分布。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。
人們在進(jìn)一步研究新的算法的同時也不斷地對已有的方法進(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。國內(nèi)還開發(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。針對原 KIVA計(jì)算中蒸發(fā)量不足的問題,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題。其中,初始霧化模型的建立把多維模型中缸內(nèi)工作過程與缸外供油過程密切聯(lián)系起來,有利于分析噴油系統(tǒng)對噴霧混合過程的影響。
油噴射是一個多相、瞬態(tài)的復(fù)雜過程,霧滴具有尺寸小,范圍大,數(shù)量多的特點(diǎn),且隨時間和空間而變化,因此,定量地測定噴霧場的濃度和粒度分布都是十分難的。國內(nèi)的研究工作都還沒有達(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,各種非接觸測量法迅速發(fā)展起來,使噴霧研究又向前邁進(jìn)了一大步,能對實(shí)際噴霧場進(jìn)行多維重現(xiàn),精確測量粒徑、三維速度及噴介質(zhì)的運(yùn)動。為了獲得霧化品質(zhì)評價的直接證據(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)及測量霧化液滴的直徑。測量方法主要分為三類:機(jī)械測量、電子測量和光學(xué)測量。
(1)機(jī)械測量法
噴霧粒子的測量,機(jī)械測量方法主要有液滴固化法、沉降法、壓痕法等。它們在一定程度上獲得粒徑的結(jié)果,但主要用來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,使測量結(jié)果不能完全反映被測噴霧場的情況。
(2)電子測量法
電子測量法是基于對液滴所產(chǎn)生電子脈沖的測量和分析,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)省測量時間。共同的問題是:如果電極、導(dǎo)線或熱線的安裝數(shù)目少,則不能代表整個噴霧場的情況;但若安裝太多,則會對噴霧場形成干擾。
(3)光學(xué)測量法
激光 CT 技術(shù),通過 Radon 變換可以實(shí)現(xiàn)從多個角度的二維投影數(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,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。近來國內(nèi)又有提出用 ART(迭代重建法的一種)對噴霧進(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濃度分布測量。
PIV 技術(shù),PIV 技術(shù)利用噴射液滴對入射光產(chǎn)生Mie 氏散射的原理,并以此作為示蹤粒子,用照相機(jī)對噴霧場進(jìn)行瞬時拍照。PIV 照片經(jīng)圖象處理可以得到噴霧液滴的速度分布,同時,對 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。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)測量的局限性,能在同一時刻記錄下整個流場的有關(guān)信息,并定量地描述流場。
激光光譜法,其原理是:激光束照射被測霧場,被測點(diǎn)的散射光強(qiáng)與該點(diǎn)的密度和溫度有關(guān),接受該散射光并對它進(jìn)行分析,就可以得到被測點(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量,但還沒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)為是一種良好的測試手段,能進(jìn)行完全定量測試。
發(fā)動機(jī)噴霧場的結(jié)構(gòu)和霧化機(jī)理是一個既具有廣泛工程實(shí)踐意義又具有重要理論價值的研究課題。盡管研究的很有深度,但到問題的徹底解決看來還有相當(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)對柴油機(jī)噴霧場這種極短暫而細(xì)微的過程(時空分別以 ms 和為 mm 量級),其發(fā)展時間和空間分辨率都需要更高的新測試技術(shù)。
(3)噴霧研究方法眾多,沒有一種研究方法是完全令人滿意的,每種測試技術(shù)在一定范圍都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在噴霧研究過程中,我們應(yīng)充分發(fā)揮這些技術(shù)各自的長處,根據(jù)不同的研究目的選擇適宜的研究方法。今后,噴霧測試技術(shù)的發(fā)展將由定性測量轉(zhuǎn)移到定量測量,由一維、二維測量轉(zhuǎn)移到多維測量。
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文章介紹了云海輪上加裝中交水運(yùn)行業(yè)船舶節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心生產(chǎn)的新型燃油霧化電加熱器的情況。實(shí)踐證明,加裝電加熱器是解決船舶用劣質(zhì)燃料油的好辦法。
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發(fā)展了一種新型側(cè)噴擋板式霧化噴油桿,使用Malvern激光粒度儀,對其在橫向氣流中所形成的霧場進(jìn)行測量,獲得其霧化特性參數(shù).分析了初始霧化過程和霧場結(jié)構(gòu),初步研究了油壓、氣流速度以及噴油桿幾何結(jié)構(gòu)對噴霧特性的影響.研究結(jié)果對于該型噴油霧化方式的應(yīng)用研究以及數(shù)值計(jì)算有著重要的意義.
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)的物性等因素對噴嘴霧化性能的影響規(guī)律。為了全面評價噴嘴霧化性能,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。
霧化后的液滴大小反映了霧化的顆粒細(xì)度,是評定霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般來說,霧滴的顆粒越細(xì),就越易加熱、蒸發(fā)和燃燒。但是霧化過細(xì)也不好,燃料由噴嘴噴出后會馬上被氣流帶走,在某一區(qū)域形成過濃的混合物;而在油滴無法射到的地方,混合物的濃度卻很低。濃度場的這種分布會縮小燃燒穩(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,最大和最小有時可相差 50~100 倍,因此只能用液滴平均直徑概念來表示霧化細(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,因此對評價霧化質(zhì)量具有重要意義,被廣泛用作燃料噴嘴的重要評價指標(biāo)。
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,這對燃燒是不利的。但過分均勻也是不合理的,因?yàn)檫@會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描述霧化均勻度。
從噴嘴噴射出來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程。但是過大的錐角會把燃料噴射到火焰管壁上去,造成積炭和不完全燃燒。當(dāng)然錐角不宜過小,否則會使燃油液滴不能有效地分布到整個燃燒室空間,過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短,如角度較大,火焰則短而粗;反之,則細(xì)而長。
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。高速沖擊由多個哈曼振動波管產(chǎn)生,哈曼管同心分布在金屬液流的四周。每個哈曼管由一個可調(diào)節(jié)的共振腔組成,當(dāng)氣體通過噴管流出時,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程相比,超聲霧化金屬液在一個階段就被多個細(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90%,由枝晶臂間距估算冷卻速度超過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)金屬粉末的基本過程。