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横风环境中燃油雾化的微观特性

2021-12-31 00:09:03·  来源：内燃机学报  
　
近年来，学者们对横风条件下燃油的喷雾特性不断进行探索。但横风条件下燃油喷雾的研究主要集中在喷雾的宏观特性上，对微观特性的研究则鲜见报道。此外，在以往研
近年来，学者们对横风条件下燃油的喷雾特性不断进行探索。但横风条件下燃油喷雾的研究主要集中在喷雾的宏观特性上，对微观特性的研究则鲜见报道。此外，在以往研究中，气流方向与喷雾方向多成180°，对侧面气流作用下喷雾形态的研究较少。为了全面地掌握燃油喷雾在横风环境中的雾化特性，笔者利用粒子图像分析(PIA)系统对不同横风速度下燃油喷雾的微观特性进行试验，分析横风对喷雾不同区域的液滴直径分布、液滴速度以及喷雾索特平均直径(SMD)影响；以现有的喷雾SMD 经验公式为基础，结合笔者的试验值，得到横风条件下燃油喷雾SMD与试验条件、燃油物性参数及横风速度的关系。
 
1  试验装置 
 
图1为用于测量不同横风条件下燃油喷雾微观特性的装置示意。其中，PIA 系统的测量原理是：当液滴处于相机预设的焦平面时，液滴将挡住激光而产生阴影，与背景光形成鲜明的对比。而当液滴处于非焦平面时，产生的阴影十分模糊，液滴阴影与背景光之间的对比度减弱。通过设置背景阈值得到的液滴阴影与图像中液滴阴影之间的区域称为液滴光晕。光晕的空间宽度(反应在图像上为像素点数量)会随着液滴偏离焦平面距离的增加而增加。详细的PAI处理介绍及实验条件见参考文献[1] 。

图1 横风条件下燃油雾化特性的装置示意 
 
2  结果和讨论
 
为了进一步理解喷雾雾化及后续燃烧过程，笔者对横风条件下燃油喷雾微观特性进行了研究，主要包括液滴直径分布、液滴速度及SMD 等。液滴直径分布可以反映液滴的破碎程度，液滴速度反映了喷雾的扩散过程，SMD代表雾化质量的优劣。
 
2.1 液滴直径分析
 
图2 示出无横风和横风速度为20 m/s 条件下X＝0 mm 处的液滴直径分布。可知，两种条件下的液滴直径分布近似呈对数正态分布。无横风状态下，C0(0，15)和C0(0，25)两个测量位置中直径为11.5 μm 的液滴数量最多。而在横风速度为20 m/s 条件下，同样位置(C20(0，15)和C20(0，25))处直径为10.5 μm 的液滴数量最多，表明横风促进了喷雾的破碎，使得小液滴数量增多。
 
图2b 中，C20(0，50)的曲线峰值比C20(0，15)和C20(0，25)的曲线峰值显著降低，液滴直径分布更加均匀。这主要是因为距离喷嘴越远的测量位置内的液滴受横风作用时间越长，液滴随横风运动的距离就越远。因而C20(0，50)处的小液滴在长时间的横风作用下将被运送至背风侧，这使得该位置的小液滴数量大大减少，而尺寸较大的液滴不易受到横风的影响而保留在该区域内。

 
图2 无横风和横风速度为20 m/s下X＝0 mm液滴直径分布
 
2.2 液滴速度分析
 
对比图3a 和图3b 中绿色方框内的各个测量位置可知，同一垂直距离下，图3b 框内6 个测量位置的垂直速度分量Vy 均小于无横风条件下对应垂直距离处的Vy，一方面，这6 个测量位置中的液滴主要是随横风运动而来，相比于图3a 中主喷雾液滴的Vy 要小的多；另一方面，在横风环境中，液滴可能会受到与其运动方向相反的力，导致其垂直速度分量减小。C20(0，50)、C20(20，50)和C20(30，50)3个测量位置的水平速度分量Vx 呈先减小后增大的趋势，这种特殊的变化趋势也证明了在背风区域有卡门涡街的存在。图3c 示出横风速度为50 m/s 条件下各测量位置的速度分量。由Y＝50 mm 处的4 个测量位置的速度分量发现，Vy沿X 轴方向逐渐减小，而Vx沿X 轴方向呈先增大后减小的趋势。

图3 不同横风速度下各测量位置速度分量
 
2.3 液滴SMD
 
SMD 是喷雾液滴平均直径中最为常用的一种表述，横风条件下燃油喷雾SMD 与试验条件、燃油物性参数及横风速度的计算关系式如下所示：

表1 为不同横风速度下SMD 的测量值和利用上式得到的SMD 计算值对比。偏差结果显示，在横风风速为40 m/s 时出现了最大偏差(0.390 μm) 。而利用PIA 系统对喷雾液滴进行测量时，每个像素点所代表的实际长度为2.125 μm，因而计算偏差可以忽略。不计，同时证明了该计算关系式在笔者采用的试验条件下具有较高的拟合度。
 
表1 为不同横风速度下SMD 的测量值和利用

  
 
3  结论
 
(1) 在不同的燃油喷雾区域内，液滴直径多呈对数正态分布；横风条件下的液滴直径分布更加集中，并且液滴尺寸整体较小，横风可促进喷雾的破碎，改善燃油的雾化特性。
 
(2) 在无横风条件下，喷雾轴线上液滴的水平速度分量Vx基本为0，越靠近喷雾边缘的液滴的Vx越大；横风条件下喷雾场背风区域存在卡门涡街。
 
(3) 结合现有的SMD 经验公式和笔者试验结果，拟合得到了横风条件下燃油喷雾SMD 与试验条件、燃油物性参数及横风速度关系式。
 
4  参考文献
 
[1]杨继雅,王 超,王 也,等.横风环境中燃油雾化的微观特性[J].内燃机学报,2021,(06):515-522.
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