溫度對(duì)液態(tài)正庚烷噴射特性影響的PIV實(shí)驗(yàn)

田 靜，杜麗超，周偉星，吳傳偉，藍(lán)振仲

（1.中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院；b．能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)漸漸不能滿足科學(xué)探索的需要。作為一種具有潛力的高超聲速飛行器，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)得到廣泛研究。該類飛行器的飛行速度超過(guò)5倍音速，燃燒室內(nèi)溫度超過(guò)3 000℃，燃油主動(dòng)再生冷卻方式成為高超聲速飛行器熱防護(hù)的重點(diǎn)研究對(duì)象[1]。燃料在冷卻通道內(nèi)吸收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫壁面的熱量，從而自身溫度得以提高，升溫的燃油最終經(jīng)過(guò)噴嘴噴射霧化、蒸發(fā)后在燃燒室內(nèi)燃燒，釋放了原本吸收的熱量，將有助于燃料噴射霧化的燃燒特性[2]，而不同于常規(guī)無(wú)冷卻的燃料直接以液態(tài)進(jìn)入燃燒室的燃燒規(guī)律。

燃油噴射霧化、蒸發(fā)以及噴霧發(fā)展過(guò)程在很大程度上決定了燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的時(shí)空分布，從而決定發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒品質(zhì)，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放。所以通過(guò)各種手段改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃油的時(shí)空分布，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)混合氣的形成以及燃油濃度和粒度分布、提高混合氣質(zhì)量，改善燃燒過(guò)程具有重要影響[3]。

對(duì)于溫度對(duì)射流的影響，周乃君等[4]對(duì)油溫、噴射壓力及噴嘴直徑等參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出在燃油噴霧過(guò)程中，升高溫度可有效地減小液滴索特爾平均直徑，使燃油分布更加均勻細(xì)化。姚卓等[5]對(duì)不同沸點(diǎn)燃料及其混合物進(jìn)行了噴霧特性試驗(yàn)，得出在閃沸狀態(tài)下，燃油過(guò)熱度是影響噴霧特性的決定性因素。宋志平等[6]在汽油直噴噴霧特性試驗(yàn)中引人近場(chǎng)錐角、遠(yuǎn)場(chǎng)錐角描述閃急沸騰條件下的噴霧塌縮現(xiàn)象，出現(xiàn)噴霧塌縮的原因是閃急沸騰微爆效應(yīng)產(chǎn)生的細(xì)小油滴在氣流作用下改變方向?qū)е聡婌F重疊。近年來(lái)，Schmitz和Araneo等[7-8]在GDI旋流噴嘴中，發(fā)現(xiàn)閃急沸騰噴霧體由中空分布塌縮為實(shí)心分布。Senda等[9]提出多種燃料的噴霧設(shè)計(jì)，即通過(guò)幾種高低沸點(diǎn)燃料的不同比例組合在旋流噴油器上獲得不同程度的閃沸噴霧，從而針對(duì)不同形狀的燃燒室進(jìn)行最優(yōu)化的噴霧設(shè)計(jì)，獲得均勻分布的混合氣。

對(duì)于噴射壓力對(duì)射流的影響，曹建明等[10]指出噴射壓力只有通過(guò)噴射流速才對(duì)射流碎裂長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，噴射流速是射流碎裂過(guò)程中的穩(wěn)定因素；霧化模式的噴霧質(zhì)量隨噴射壓力的增大顯著改善，噴射壓力和噴射流速轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w碎裂的不穩(wěn)定因素。解方喜等[11]指出提高噴射壓力后，燃油的貫穿距離增大，霧化質(zhì)量改善，且加強(qiáng)了其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使得燃油的空間分布體積增加。

目前，多數(shù)高溫燃料射流的研究對(duì)象是發(fā)生在特定溫度、噴射壓力下的燃料霧化，并沒(méi)有人對(duì)燃料的整體升溫過(guò)程進(jìn)行一系列的研究。利用PIV系統(tǒng)對(duì)燃料射流的升溫過(guò)程進(jìn)行了整體拍攝，對(duì)射流的錐角、射流最大寬度、溫度和壓力對(duì)射流霧化的主導(dǎo)關(guān)系、空氣卷吸進(jìn)行了分析，初步得到一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：高壓氣源、燃料貯備器、加熱系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)管道、測(cè)控系統(tǒng)和PIV拍攝系統(tǒng)，如圖1所示。高壓氮?dú)馄繛槿剂咸峁﹪娚鋲毫?，燃料從?chǔ)備器流經(jīng)加熱管道由噴嘴噴出。壓力由氮?dú)馄繙p壓閥和測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減壓閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由手動(dòng)控制，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中傳感器參數(shù)使用NI系列板卡采集并回傳到計(jì)算機(jī)上顯示或保存，供實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)視及實(shí)驗(yàn)后分析使用。加熱段采用變功率的電柜進(jìn)行加熱，在加熱段和噴嘴之間有壓力表和溫度表，用于觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力和溫度的變化情況。絕緣端子保證了加熱段管道的絕緣性，確保實(shí)驗(yàn)安全。噴嘴前端的壓力表、溫度表用來(lái)觀察燃料噴射出口的壓力和溫度，數(shù)據(jù)由測(cè)控采集并記錄。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以正庚烷進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)，并以液滴作為示蹤粒子。PIV拍攝照片尺寸為140mm×180mm，PIV系統(tǒng)的激光器發(fā)射面與CCD同步相機(jī)保持垂直。燃料經(jīng)噴嘴噴出，此時(shí)激光器發(fā)射激光經(jīng)過(guò)噴嘴，CCD相機(jī)捕捉液滴運(yùn)動(dòng)。PIV系統(tǒng)拍攝前，需設(shè)置一項(xiàng)重要的時(shí)間參數(shù)dt。參數(shù)dt設(shè)置過(guò)大，拍攝圖像中粒子運(yùn)動(dòng)位移過(guò)大，系統(tǒng)對(duì)粒子的錯(cuò)誤捕捉，導(dǎo)致處理出錯(cuò)誤的速度流場(chǎng)信息；參數(shù)dt設(shè)置過(guò)小，拍攝圖像中粒子運(yùn)動(dòng)位移過(guò)小，系統(tǒng)無(wú)法清晰地區(qū)分粒子或進(jìn)行錯(cuò)誤的識(shí)別，參數(shù)dt的設(shè)置對(duì)PIV的拍攝非常重要。表1提供不同壓力下參數(shù)dt的相關(guān)設(shè)置。

圖1 燃料射流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of fuel injection characteristics

表1 不同壓力下合適的時(shí)間間隔dtTab.1 Proper time interval dt under different pressures

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文射流的PIV實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)Tab.2 Experiment setting parameters

2.1 不同壓力射流隨溫度變化的整體拍攝結(jié)果

整體拍攝結(jié)果如圖2所示，圖片中粒子濃度越大光線越強(qiáng)，因此粒子濃度從灰色到白色逐漸增大，白色區(qū)域濃度最大。

圖2 不同壓力射流隨溫度變化的噴射狀態(tài)Fig.2 Injection state with temperature change under different pressures

由圖2看出，在相同壓力下，隨著溫度升高，射流的霧化顆粒增多，射流霧化范圍增大，達(dá)到最大霧化范圍后逐漸轉(zhuǎn)為類似氣體的噴射狀態(tài)；升溫過(guò)程中射流的宏觀噴射形態(tài)（噴射角度大小、噴射距離、徑向?qū)挾鹊龋┯忻黠@變化，射流邊緣的空氣卷吸程度逐漸增加，出現(xiàn)大量渦旋使得射流的速度流場(chǎng)分布變得復(fù)雜，與周圍環(huán)境氣體更好的混合。在相同溫度下，隨壓力（0.3～0.5 MPa）的升高，射流的霧化顆粒減少，射流霧化范圍減小，這與壓力（0.7～1.0 MPa）的射流情況相反；在渦旋尺寸方面，渦旋隨壓力的增大而減小。對(duì)比各壓力的整體情況，發(fā)現(xiàn)壓力大的射流在升溫過(guò)程中出現(xiàn)的渦旋尺寸相對(duì)較小，后期（光線最強(qiáng)的照片時(shí)刻）的環(huán)境流場(chǎng)復(fù)雜程度較大。

從圖2挑選一張圖片利用PIV系統(tǒng)進(jìn)行速度矢量處理，如圖3所示，該圖為0.7 MPa壓力下125℃時(shí)的圖像。觀察圖3的速度矢量分析圖及局部放大圖，發(fā)現(xiàn)靠近軸線的流速較穩(wěn)定，與空氣接觸的邊緣很不穩(wěn)定，伴隨大量的渦旋出現(xiàn)。通過(guò)PIV處理的速度矢量圖可清晰看出射流邊緣渦旋的數(shù)量、大小和射流軸線附近液滴粒子的穩(wěn)定流動(dòng)。

圖3 粒子圖像、矢量分析、局部放大Fig.3 Particle image,vector analysis and local amplification

由實(shí)測(cè)結(jié)果看出，本實(shí)驗(yàn)中，伴隨溫度的升高，不同壓力下的射流都出現(xiàn)了不同于文獻(xiàn)[12]中傳統(tǒng)的射流狀態(tài)。溫度的升高使射流的顆粒直徑、噴射錐角、噴射最大寬度、周圍的空氣卷吸程度等發(fā)生明顯變化。

2.2 不同噴射壓力的射流錐角隨溫度的變化規(guī)律

噴射錐角在文獻(xiàn)[13]中的定義為出口處密度明顯分界面切線的夾角，如圖4所示。本文也采用這個(gè)定義方式，但用噴射錐角的全角來(lái)表征此噴射特性。選取口徑為0.1 mm直射噴嘴，在不同噴射壓力（0.3 MPa，0.5 MPa，0.7 MPa，1.0 MPa）和不同溫度下探究射流錐角隨溫度的變化規(guī)律。

圖4 錐角定義Fig.4 Cone angle definition

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度變化引起噴射錐角明顯變化，隨著溫度升高，各壓力下噴射錐角呈逐漸增加然后下降的過(guò)程。在溫度升高的過(guò)程中，流體的蒸汽逐漸增加，液滴增多并與周圍環(huán)境的氣體相互作用增強(qiáng)，擴(kuò)散性增大，導(dǎo)致噴射錐角逐漸增大；隨著溫度繼續(xù)升高，錐角達(dá)到最大值，此時(shí)射流的粒子最多且粒子直徑最小；隨后，噴射錐角會(huì)進(jìn)入下降階段，此時(shí)流體在加熱管道內(nèi)的蒸汽越來(lái)越多，直到噴射出來(lái)的都是氣體，其噴射狀態(tài)也與氣態(tài)噴射一樣。實(shí)驗(yàn)中得到0.3 MPa射流噴射過(guò)程中的最大噴射錐角為23.27°，0.5 MPa射流噴射過(guò)程中的最大噴射錐角為24.66°，0.7 MPa射流噴射過(guò)程中的最大噴射錐角為25.57°，1.0 MPa射流噴射過(guò)程中的最大噴射錐角為33.13°?？梢?jiàn)，不僅溫度對(duì)噴射錐角有很大影響，噴射壓力在高溫下同樣對(duì)噴射錐角有重要影響；0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa最大錐角出現(xiàn)時(shí)的溫度分別為124℃、139℃、155℃、172℃，高溫條件下噴射壓力越大，噴射錐角達(dá)到最大值所需的溫度也越高。

圖5 射流錐角與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between injection angle and temperature

2.3 不同噴射壓力的射流最大寬度隨溫度變化的規(guī)律

噴霧最大寬度定義為沿噴霧器徑向方向上噴霧輪廓線的最大長(zhǎng)度，如圖6所示。

溫度的變化使得射流的最大噴射寬度發(fā)生明顯變化，如圖7所示。伴隨溫度的升高，不同壓力下射流的最大噴射寬度呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。由于射流溫度升高，射流蒸汽逐漸增加，與周圍環(huán)境氣體的相互作用增大，噴射的最大寬度逐漸增加到最大值；之后，射流變成氣體噴射，噴射特征為氣態(tài)噴射特征，噴射的最大寬度由最大值逐漸減小。由圖7中的曲線峰值看出，壓力越大，出現(xiàn)峰值所需的溫度就越高；壓力越大，出現(xiàn)的峰值也越大，壓力是噴射最大寬度的重要影響因素。

圖7 射流最大寬度與溫度的關(guān)系Fig.7Relationshipbetweenmaximuminjection widthandtemperature

2.4 射流出現(xiàn)明顯霧化時(shí)刻溫度壓力的主導(dǎo)關(guān)系

如圖 8 所示，0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa壓力下的射流錐角明顯增大（霧化明顯加強(qiáng)）出現(xiàn)的溫度時(shí)刻分別為120℃、134℃、106℃、70℃?？梢?jiàn)，射流霧化加強(qiáng)不是壓力和溫度中某一項(xiàng)因素單獨(dú)作用的結(jié)果，而是綜合作用的結(jié)果。在較小壓力0.3 MPa、0.5 MPa下的射流，溫度對(duì)射流的霧化效果起到了主導(dǎo)作用，同一壓力下，高溫流體使得該流體射流霧化加強(qiáng)，此時(shí)霧化效果的加強(qiáng)主要受溫度影響；在較大壓力0.7 MPa、1.0 MPa下的射流，壓力逐漸成為影響射流霧化效果的主導(dǎo)因素，即使溫度不高的情況下，高壓使得流體射流霧化加強(qiáng)，此時(shí)霧化效果的加強(qiáng)主要受壓力影響。明顯霧化時(shí)刻的出現(xiàn)是溫度、壓力相互作用、相互影響的結(jié)果，二者存在一定的耦合關(guān)系。在加熱、加壓的實(shí)驗(yàn)情況下，射流出現(xiàn)明顯霧化的時(shí)刻不是隨溫度或壓力呈現(xiàn)線性變化，而是由溫度和壓力耦合作用的結(jié)果。溫度在射流出現(xiàn)明顯霧化時(shí)刻的變化：壓力小于0.5 MPa時(shí)，隨壓力增大溫度升高；壓力大于0.5 MPa時(shí)，隨壓力增大溫度降低。

圖8 射流出現(xiàn)明顯霧化時(shí)溫度與壓力的關(guān)系Fig.8 Relationship between temperature and pressure with clearly atomized injection

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)正庚烷燃油噴射到大氣環(huán)境，不同溫度和噴射壓力條件下噴射特性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）流體溫度是影響射流宏觀形態(tài)變化的重要因素，溫度提高使射流形態(tài)發(fā)生明顯變化，強(qiáng)化射流霧化效果。射流錐角、射流最大寬度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

2）溫度提高使得噴霧范圍增大，與周圍環(huán)境空氣相互作用增強(qiáng)，周圍空氣卷吸程度隨溫度提高而增強(qiáng)。

3）在高溫條件下，壓力對(duì)射流形態(tài)的影響非常重要，壓力增大使射流錐角、最大寬度的峰值增加；壓力增大會(huì)使周圍環(huán)境氣體的卷吸程度迅速增加。

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