燃油霧化燃油霧化機理

對液體的霧化機理研究，已得到了幾種不同的重要理論。柴油機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為這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。

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。

燃油霧化極稀薄區(qū)

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。

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遠大于其直徑，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)：碰撞和準碰撞，準碰撞的頻率遠大于碰撞頻率，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。

燃油霧化翻騰流區(qū)

在緊鄰液核的周圍地帶，液體己經(jīng)開始分裂。但由于在兩相混合物中，液體所占體積分數(shù)與氣體相當甚至超過之，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理有重要意義。

在柴油機中，一般應(yīng)用燃油噴射的方法以生成細小的油滴群，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:

（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、氣流運動的影響，各自的霧化機理并不完全相同。

（3）燃油進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，并且為計算模擬提供了較為精確的基礎(chǔ)。20 世紀 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展過程的兩幅圖像(圖 2)，從而獲得包括空氣運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，對噴霧的機理和模型提出了各種理論，通過結(jié)合大型計算機開發(fā)多款 CFD計算軟件，建立準確的模型和完善算法是 CFD 所要最求的方向。

燃油霧化CFD 計算法

在內(nèi)燃機的噴霧過程研究中，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算質(zhì)點組成，在歐拉坐標下描述氣相運動，在拉格朗日坐標下描述油滴的運動。在噴霧混合過程中，油滴穿過氣場，與之進行品質(zhì)、動平衡能的交換。

由此可以計算出噴霧粒子在氣場中不同時刻的位置、速度以及運動軌跡，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，也逐漸進入了理論研究日程，并構(gòu)成了內(nèi)燃機噴射過程多維研究中的新進展。模擬缸內(nèi)工作的多維反應(yīng)流計算軟件主要有 KIVA、STAR-CD 及 FLUENT等。這些方法的計算工作量大且較復(fù)雜，需要大型計算機才能完成。

人們在進一步研究新的算法的同時也不斷地對已有的方法進行完善和補充。在 KIVA-II的改進中，Reitz 提出了液柱霧化的滴團（blob)算法。國內(nèi)還開發(fā)出 NMS-ICE 計算機軟件包，它由 KIVA軟件拓展和改進而成。針對柴油機軸針式噴油系統(tǒng)的瞬間燃油噴注貫穿和蒸發(fā)進行了深入的數(shù)值模擬。針對原 KIVA計算中蒸發(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。

燃油霧化粒子霧場測量法

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，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到很高的水平，早期的研究大都是在模擬中進行的。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了一大步，能對實際噴霧場進行多維重現(xiàn)，精確測量粒徑、三維速度及噴介質(zhì)的運動。為了獲得霧化品質(zhì)評價的直接證據(jù)及驗證液滴尺寸分布函數(shù)，需要進行噴霧實驗及測量霧化液滴的直徑。測量方法主要分為三類：機械測量、電子測量和光學(xué)測量。

（1）機械測量法

噴霧粒子的測量，機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)計方法，包括電極法、導(dǎo)線法和熱線法。其主要優(yōu)點是易于計數(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)對噴霧進行重建的法，使重建精度有所提高，實現(xiàn)了柴油機噴霧內(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，用照相機對噴霧場進行瞬時拍照。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。其實驗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、透鏡和相機組成成像系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)包括氮氖激光器、擴束器、空間濾波器及計算機圖像系統(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步，其優(yōu)點是突破了空間單點測量的局限性，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，被測點的散射光強與該點的密度和溫度有關(guān)，接受該散射光并對它進行分析，就可以得到被測點的密度與溫度。激光光譜用于柴油機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度，能消除熒光干擾，背景光、雜散光的影響也很小，被認為是一種良好的測試手段，能進行完全定量測試。

發(fā)動機噴霧場的結(jié)構(gòu)和霧化機理是一個既具有廣泛工程實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?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、實驗和計算三條途徑同時人手，進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理的完善解釋。

（2）對柴油機噴霧場這種極短暫而細微的過程（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)點和缺點，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。

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，提出了多項指標參數(shù)，主要包括：霧化細度、霧化均勻度，以及霧化錐角等。

霧化噴嘴霧化細度

霧化后的液滴大小反映了霧化的顆粒細度，是評定霧化質(zhì)量的重要指標。一般來說，霧滴的顆粒越細，就越易加熱、蒸發(fā)和燃燒。但是霧化過細也不好，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度。人們提出了多種平均直徑的計算方法，常用的是質(zhì)量中間直徑（MMD）和索太爾平均直徑（SMD 或 D32）。

D32相當于液霧內(nèi)全部液滴的容積與總表面積的比值，它真實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。

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，這對燃燒是不利的。但過分均勻也是不合理的，因為這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。

霧化噴嘴霧化錐角

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，或是在其中運動的細小霧滴組成。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，當氣體通過噴管流出時，氣流能引起伯努利(Bernoulli)效應(yīng)，達到超音速度，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工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，而對于鈦等高熔點合金仍在進一步實驗研究之中。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。