2018, Vol. 46
能源短缺、环境污染以及不断升级的排放法规，使得燃油效率的提高和污染物的控制成为当前燃烧领域的重要课题.在内燃机领域，传统压燃式(CI)、直喷点燃式(DISI)、均质压燃发动机(HCCI)以及燃气轮机的燃烧效率提高的相关研究，得到了广泛的关注.相对于进气道喷射的点燃发动机，这些发动机具有燃油经济性高，温室气体排放少，未燃碳氢生成少[1-2]等优点.
喷雾的雾化和蒸发过程对燃料的燃烧和污染物的生成有着至关重要的影响.对于直喷式发动机，喷雾碰壁会导致颗粒物数量、氮氧化物(NOx)、未燃碳氢(UHC)等排放的大量增加[3-4]，必须尽量避免.喷雾的贯穿距、锥角、液滴尺寸、蒸发速率等参数也影响着燃烧的效率以及NOx等污染物的生成[5-7]，这就要求对喷雾的雾化蒸发以及混合气的形成有更深入详细的理解.
喷雾雾化蒸发过程以及混合气形成过程的基础研究，对燃油供给系统和汽缸结构设计以及数值模拟的可靠性验证有着重要的指导意义.基于这个原因，专家学者对喷雾雾化蒸发过程及混合气形成的课题进行了大量试验，包括喷嘴内部结构对喷雾影响的研究[8]、定容弹中的喷雾和雾化过程[9]、光学发动机上的喷雾及其对发动机性能的影响[10]等等.
湍流射流火焰是发动机中常见的一种湍流燃烧形式，而湍流和化学反应动力的强相互作用是研究湍流射流燃料自燃和火焰稳定的难点.可控热氛围燃烧器得到了湍流扩散燃烧国际学术组织TNF(Turbulent non-premixed flames) Workshop的肯定并列入标准燃烧器系列，不同于其他燃烧装置，热氛围中的喷雾有以下特点：①处于雷诺数4 000~11 000的湍流协流环境中; ②不存在实际发动机中的复杂回流机制，喷雾火焰的稳定性与热产物回流无关，简化了现有燃烧模型的边界条件[11];③环境温度调节范围广，包括室温、400~1 500 K之间连续调节.
本试验基于可控活化热氛围燃烧器提供的稳定均匀的温度场及其特有的对复杂回流过程的解耦，对柴油喷雾在不同协流温度氛围中的喷雾宏观参数、粒径轴向和径向分布进行了基础研究，为研究喷雾雾化蒸发过程以及混合气的形成提供了数据支撑，为液体燃料湍流起升火焰中物理混合过程提供信息，同时也是研究液体燃料自燃和湍流起升火焰稳定性的基础[12-14]，能够指导实际车用发动机和燃气轮机的研发.
1 试验部分图 1为试验系统的示意图以及装置的空间布局.整个系统主要包括燃料喷射和控制系统、可控热氛围燃烧器、高速摄像机以及激光衍射粒度仪等装置.喷嘴由接有高压氮气瓶的蓄能器提供压力，使用电磁阀进行控制，喷入燃烧器中央.协流温度场由可控热氛围燃烧器产生，喷雾的宏观参数主要通过高速摄像机进行记录，喷雾的粒径分布通过激光衍射粒度仪进行分析.
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图 1 试验系统的全局示意图 Fig.1 Globle schematic diagram of experimental setup |
试验所用燃料为国Ⅴ标准0#柴油.表 1为试验工况的基本参数，其中协流空气流量保持不变，协流温度与协流速度按顺序一一对应.
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下载CSV 表 1 试验工况的基本参数 Tab.1 Experimental conditions |
图 2为可控热氛围燃烧器的结构示意图.通过调节协流预混合气中氢气及空气流量，该系统可以提供室温、400~1 500 K范围内的均匀稳定温度场，可以方便地研究燃料在此温度范围内的雾化蒸发特性、自燃过程和火焰的稳定性[15-16].协流中空气流量通过涡街流量计进行测量，协流中的氢气流量通过玻璃转子流量计进行测量和控制，协流温度通过热电偶进行测量.由上述测量设备获得的数据精度分别为：空气流量±1%，氢气流量±1.5%，协流温度±2.5 K.协流成分和热电偶的热辐射修正方法可见文献[12, 16].
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图 2 可控热氛围燃烧器结构示意图 Fig.2 Schematic of vitiated co-flow burner |
试验中采用美国VRI公司的Phantom V7.3系列高速摄像机对喷雾瞬间影像进行记录.选取的拍摄速率为2 000帧·s-1，曝光时间为495 μs，图片像素为256×600像素，每个工况下记录2组试验数据.喷雾的贯穿距离、发展速度、锥角、半径等宏观参数信息，通过MATLAB编制的程序进行处理.该程序将图片的三原色信息转化成灰度值，并使用灰度阈值5(最大值为255)来界定喷雾区域并转化成二值图像，使用bwareaopen函数删除二值图像中面积小于10的对象来过滤干扰.
1.3 激光衍射粒度仪试验中采用Malvern Spraytec型号的激光衍射粒度仪对喷雾的粒径分布进行测量.该设备进行粒度测量的基本原理是夫朗和费衍射理论(Fraunhofer theory).图 3为激光衍射粒度仪的光路示意图.He-Ne激光发射器发射波长为632.8 nm，最大功率为4 nW.傅立叶透镜焦距有300 mm和700 mm两种，本试验选用300 mm焦距.接收器包括36个对数分布的接收元件.基于这套系统的结构布置，散射探测器能够测量不同散射角的光强.粒子尺寸的分布通过下式得到：
| $ S({\theta _i}) = \sum\limits_j {{C_{i, j}}V({d_j})} $ |
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图 3 激光衍射测量系统示意图 Fig.3 Schematic of laser diffraction measuring device |
系统通过散射信号S(θi)和传递函数Ci, j计算离散粒子尺寸分布V(dj).传递函数由粒子和系统的光学性质决定.本试验中，设备对NIST(美国国家标准与技术研究院)可追踪乳胶标准粒子的精度和可重复性协方差在±1%以内，选用的数据捕捉频率为100 Hz，触发器阈值为95%激光穿透率，每个试验点重复测量2次.
2 结果与讨论 2.1 喷雾贯穿距图 4为协流温度为300、573和673 K下柴油喷雾形态随时间的发展.本文以40 ms后喷雾作为稳定状态.整体上，可以明显发现随着协流温度的升高，喷射后的相同时间内喷雾宽度变小.
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图 4 柴油喷雾形态随喷射时间的发展 Fig.4 Development of spray after injection |
图 5为柴油喷雾在不同协流温度下的贯穿距随时间变化的曲线.可以看到，喷雾呈现出两阶段的变化，在2.5 ms附近有明显的转折点.在该时间点前后，不同协流温度工况下的喷雾贯穿速度分别受蒸发和气相介质密度决定.在喷雾的第一阶段(大约t < 2.5 ms)，协流温度越高，相同时间内喷雾的贯穿距越小，即喷雾速度较慢.在这个阶段，喷嘴针阀处于开启过程中，喷嘴流量较小，因此，受到高协流温度带来的蒸发影响较大，喷雾锋尖上的液滴被蒸发消失后，表现为前后两帧图片喷雾前锋面差距的缩小，即贯穿距离减小.2.5 ms时，协流温度为673 K时的喷雾贯穿距离仅有300 K情况下的一半.在喷雾的第二阶段(t≥2.5 ms)，不同协流温度对应的喷雾贯穿距离的差距减小，协流温度为523 K的曲线甚至超过了协流温度300 K的情况，即协流温度越高的喷雾贯穿速度越大.在这个阶段，针阀全开，喷嘴流量较大，喷雾前锋面一方面受蒸发的影响减小，另一方面，高协流温度使得喷雾穿越的气体介质的密度减小，气相阻力减小，喷雾速度较大.协流温度为623 K和673 K的喷雾曲线由于初始阶段落后太多，最终还是落后于室温下的喷雾曲线.
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图 5 喷雾贯穿距随时间的变化 Fig.5 Spray penetration versus time after injection |
图 6为不同协流温度下喷雾锥角的对比.锥角取喷雾稳定后的40张图片的平均值.在喷雾轴向高度较低时，喷雾宽度过细，以此来计算喷雾锥角容易引起误差，因此只使用喷雾高度大于40 mm的喷雾区域来计算喷雾锥角.柴油喷雾的锥角随协流温度的变化，表现出两阶段的变化规律.在协流温度为室温300 K时，柴油喷雾为11.03°，随着协流温度提高，喷雾锥角明显增大，当协流温度523 K时，达到最大的12.15°.此后，随着协流温度的提高，喷雾锥角减小，直至673 K时的8.76°.相对于室温的情况，协流温度为523 K时柴油的黏度降低，促进了喷雾破碎、雾化过程，因此协流燃烧情况下的喷雾锥角明显高于室温下的情况.随着协流温度的进一步提高，雾化改善带来的喷雾外围的小液滴在高温下迅速蒸发，造成了锥角的减小.表 2为本试验使用的柴油燃料的馏程表[17].随着协流温度提高至573 K，已超过50%馏出温度，高温使得喷雾场外围的小尺寸液滴迅速蒸发[18]，因此随协流温度的进一步提高，喷雾锥角逐渐减小.关于这个推论，可以从下面的粒径分布测量中得到验证.
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图 6 喷雾锥角随协流温度的变化 Fig.6 Spray cone angle versus co-flow temperature |
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下载CSV 表 2 试验用0#柴油的镏程表 Tab.2 Distillation properties of 0# diesel |
图 7是协流温度为300 K时，中轴线上z=100 mm位置处Dv50、Dv90、D43和D32参数在触发器触发后随时间的变化.其中Dv50和Dv90代表累积体积分数为50%和90%时对应的液滴直径，D43和D32分别表示德布鲁克平均直径(De Brouckere mean diameter)和索特平均直径(Sauter mean diameter, SMD).可以发现，触发器刚触发时，喷雾处于发展阶段，各粒径参数都随时间的变化而减小.当t≥0.05 s时，各粒径参数随时间的变化很小，可以认为已形成稳态喷雾.表 3显示了0.10~0.19 s内粒径的标准差，Dv90的变化幅度相对于其他3个参数要更大一些，但标准差也仅有1.22 μm.表中数据表明，使用该设备对稳态喷雾过程中的粒径分布进行测量时有很好的一致性和稳定性.
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图 7 粒径参数随时间的变化 Fig.7 Droplet diameters after injection |
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下载CSV 表 3 0.10~0.19 s内各粒径参数的标准差 Tab.3 Standard deviations of diameters |
试验中，在喷雾中轴线上，从喷嘴口起，记录高度为20、40、60、80、100、120 mm处的粒径分布.在轴向高度为120 mm时，记录径向距离0、2、4、6、8、10、12、14、16 mm处的粒径分布.
图 8为协流温度为300 K时中轴线上的D32、Dv50、Dv90及相对跨度系数ε轴向分布图.ε表征粒径的一致程度，由下式得到：ε=(Dv90－Dv10)/Dv50.所有数据均为触发器开启后0.10~0.19 s内的粒径平均值.
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图 8 轴向喷雾粒径分布及相对跨度系数 Fig.8 Axial distribution of droplet size and relative span factor |
从整体上看，不同轴向高度上的各粒径评价参数呈现各自的变化特点.Dv50随轴向高度的增加，略有上升.D32仅在20~60 mm段有明显上升，此后变化不大，都在15~18 μm之间.在室温下，柴油的饱和蒸汽压很小，蒸发过程进行的很慢，在本文研究的时间尺度下，蒸发对该温度下粒径变化影响应当可以忽略.当轴向高度较低(靠近喷嘴出口处)时，液滴粒径不一致度很大，大小液滴同时存在，当轴向高度增加时，小颗粒的初始动量较小，受到气相阻力作用，趋向于向径向偏移，大颗粒则留在中轴线上.这就导致在轴向高度较高时，Dv50会变大.相对跨度系数ε的变化规律也验证了这个结论，ε随着轴向高度的增加而迅速减小，表明近喷嘴口处液滴尺寸不均匀，而远离喷嘴口位置的液滴群粒径分布更为一致.Dv90通常表征大尺寸液滴的情况，而大尺寸燃油液滴对内燃机中碳烟和未燃碳氢等污染物的排放影响很大.图中显示，Dv90在50~70 μm之间，从轴向高度20 mm升高到40 mm的过程中，Dv90就下降了17%.这表明近喷嘴口的局部燃烧较为不充分，是碳烟和未燃碳氢等污染物的主要生成区域.图 8中相同工况点的2次喷雾粒径数据，差距极小，可知本试验喷雾过程和测量装置性能的稳定性.
图 9为协流温度300 K、轴向高度h=120 mm处，各粒径参数和相对跨度系数的径向分布图.D32、Dv50、Dv90都随着径向距离的增大而减小，其中Dv90的变化幅度最大.可以认为，径向距离较大处的液滴的粒径整体相对更小.ε也随着径向距离的增大而减小，这表明液滴粒径分布在径向距离较大时更为一致.对于h=120 mm的液滴，从喷嘴口到图中各径向坐标的距离s几乎相同(r=0, s=120 mm; r=16 mm, s=121.1 mm)，因此相同粒径和初始动量的液滴，到达不同径向位置后的结果几乎相同.而在实际喷雾中，尺寸较大的液滴，通常有更高的初始动量，不容易由于气阻等原因发生偏移.这事实上就表明了，不同径向位置的粒径差异，是气流阻力对液滴大小“筛选”的结果.前期的起升火焰研究[13, 19]显示，液体燃料起升火焰的稳定驻点并不在中轴线上，偏离中轴线的空间位置更容易发生自燃.图 9显示的小尺寸液滴分布在偏离中轴线的规律，能够有力地解释该现象.
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图 9 径向喷雾粒径分布及相对跨度系数 Fig.9 Radial distribution of droplet size and relative span factor |
图 10为轴向高度h=100 mm、r=0时粒径参数和相对跨度系数随协流温度的变化.随着协流温度的提高，喷雾液滴的D32、Dv50、Dv90均增大，其中D32从300 K对应的15 μm大幅度提高到673 K对应的24 μm.显然，在其他条件不变的情况下，更高的协流温度一方面使得液滴与协流的温差变大，另一方面对应更快的协流速度(见表 1)，使得液滴表面的对流传热系数增大，两者共同作用导致了喷雾液滴蒸发速率的提高.因此，每个独立的液滴直径都将会减小(或直接消失).在高协流温度下，小尺寸的液滴会迅速蒸发，对液滴群的整体贡献反而随着协流温度的升高而降低，而大尺寸液滴的直径随协流温度的上升仅略有减小.也就是说，协流温度的上升导致了液滴平均直径的上升和蒸发过程的加快两个结果.此外，对比协流300 K和523 K的数据，发现各粒径参数的变化不大，即蒸发过程并没有发生明显变化.虽然试验所用柴油的10%馏出温度仅为444 K，但是当协流温度为523 K时，在100 mm的轴向高度内，柴油喷雾的整体温度还是远低于协流温度的.
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图 10 粒径参数及相对跨度系数随协流温度的变化 Fig.10 Droplet size and relative span factor at various co-flow temperatures |
(1) 试验中不同协流温度对应的喷雾贯穿距呈现出两阶段的变化，在第一阶段，协流温度的升高使得蒸发速率加快，导致喷雾贯穿速度较小; 在第二阶段，协流温度的升高使得气相介质密度减小，导致喷雾贯穿速度较大.
(2) 喷雾的锥角随着协流温度的升高，呈现出先增大后减小的规律.主要由于柴油喷雾破碎雾化程度和液滴蒸发程度随协流温度的提高而发生改变.
(3) 喷雾中轴线上，索特平均直径处于10~20 μm之间，随轴向高度升高而略有增加，粒径的一致性明显提高.近喷嘴口，Dv90较大，容易导致碳烟和未燃碳氢等污染物.
(4) 喷雾各粒径参数随径向距离的增大而减小，且粒度一致性提高，这是气流阻力对液滴大小“筛选”的结果.
(5) 在协流温度从300 K上升至673 K的过程中，D32从15 μm上升到24 μm，粒径一致性提高，蒸发使得尺寸液滴大量消失.
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