環(huán)境壓力對液滴流瞬態(tài)蒸發(fā)影響的實驗測量

呂綺夢，吳迎春，曾?磊，李?燦，徐東炎，吳學成

環(huán)境壓力對液滴流瞬態(tài)蒸發(fā)影響的實驗測量

呂綺夢，吳迎春，曾?磊，李?燦，徐東炎，吳學成

(浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027)

為了研究壓力條件下液滴間相互作用對其蒸發(fā)速率的影響，采用相位粒子干涉成像(PHIPI)技術對無水乙醇的單分散液滴流在定壓腔內(nèi)的蒸發(fā)進行了研究．將射流破碎產(chǎn)生的單分散液滴流注入定壓腔中，利用高速顯微陰影法對液滴流的尺寸和間距進行了標定．采用粒子測速成像技術對液滴流附近氣體運動進行表征．隨后，在環(huán)境壓力0.1～0.8MPa下，對粒徑范圍100～200μm的液滴在無量綱間距參數(shù)2～4、液滴速度4.1～7.3m/s等工況下的蒸發(fā)速率進行了測量．實驗結(jié)果表明，液滴相對間距越小，液滴蒸發(fā)速率越慢；在室溫下，環(huán)境壓力對液滴的蒸發(fā)起抑制作用；液滴流速越小，壓力對其蒸發(fā)的影響越明顯．

液滴蒸發(fā)；液滴流；環(huán)境壓力；相位粒子干涉成像

液體燃料在內(nèi)燃機、航空發(fā)動機及燃汽輪機等場合具有廣泛應用．為了優(yōu)化發(fā)動機燃燒室的設計和燃燒組織，需要對液滴的傳熱傳質(zhì)進行可靠的描述．作為液滴蒸發(fā)的最小單元，單液滴的蒸發(fā)過程已得到較為完善的研究，相關的實驗和模型研究總結(jié)了液滴初始粒徑、溫度及環(huán)境溫度、氣流速度等對液滴蒸發(fā)的影響規(guī)律[1-4]．在工程應用中，為了提高熱效率，實際運行壓力通常在燃料的臨界壓力或超臨界壓力下．因而，理解和量化環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響具有重要意義．對高壓條件下單液滴蒸發(fā)的模擬研究發(fā)現(xiàn)，液滴壽命受環(huán)境溫度和壓力的耦合影響[5]；經(jīng)典的2定律在亞臨界條件下仍然成立，而在超臨界條件下偏離較大[4, 6]．

對于噴霧燃燒發(fā)動機，燃油的蒸發(fā)過程實際上是離散液滴群的蒸發(fā)．由于液滴間的相互作用，與孤立液滴相比，液滴群的傳熱傳質(zhì)過程顯著降低．液滴的相互作用與液滴初始尺寸、間距及液滴陣列的排列方式有關．Chiang和Imaoka等[7-9]研究了不同相對間距的多個液滴矩陣的蒸發(fā)速率及發(fā)展規(guī)律，擬合得到液滴尺寸、相對間距對液滴蒸發(fā)的影響關系式．法國Lemoine團隊[10-11]對單分散液滴流的蒸發(fā)進行了大量實驗研究，主要利用雙色激光誘導熒光法、粒子干涉成像和高速陰影等方法對液滴蒸發(fā)過程液相及氣相參數(shù)的變化進行研究．國內(nèi)對密集液滴簇的蒸發(fā)研究還處于起步階段．于磊[12]利用高速陰影法對乙醇單分散液滴的蒸發(fā)進行了研究．段小龍等[13]采用懸掛液滴法，對高溫下單、雙液滴的蒸發(fā)進行了研究．結(jié)果表明，雙液滴間的相互作用導致液滴與周圍環(huán)境的傳質(zhì)速度降低，蒸發(fā)減緩．諸如此類研究，對蒸發(fā)液滴粒徑變化檢測大都基于直接成像，其精度為微米級，難以檢測到瞬態(tài)下更為細小的粒徑變化．Wu[14-15]和Li等[16]基于相位彩虹技術研究了單分散液滴流的蒸發(fā)，該技術可以同時測量液滴的溫度、微米級粒徑和納米級粒徑變化．針對高壓條件下、運動多液滴蒸發(fā)的實驗研究還未見報道，實驗數(shù)據(jù)的缺乏導致相關數(shù)值模型的建立和驗證困難．

本文基于相位粒子干涉成像(phase interferometric particle imaging，PHIPI)技術[17]，對環(huán)境壓力0.1～0.8MPa下的無水乙醇單分散液滴流的瞬態(tài)蒸發(fā)進行了實驗研究．下文將簡要介紹實驗系統(tǒng)及測量原理，并對液滴相對間距、速度及環(huán)境壓力對液滴流蒸發(fā)的影響進行分析．

1?實驗系統(tǒng)及測量技術

1.1?實驗系統(tǒng)

單分散液滴蒸發(fā)實驗裝置如圖1所示，主要由高壓腔體、單分散液滴流發(fā)生器、注射泵、壓電驅(qū)動器和激光測試單元組成．單分散乙醇液滴流由壓電陶瓷振動的液體射流解體產(chǎn)生．通過調(diào)整高壓注射器的注射流量j，可控制液滴流的速度．在一定流量下，通過改變壓電驅(qū)動器的頻率，可以改變液滴大小及間距．液滴流發(fā)生器安裝于高壓腔體中，腔體內(nèi)徑120mm，高度200mm．腔體外壁不同方向嵌有厚度為20mm的紫外熔融石英玻璃，作為激光入射和測量窗口．腔底部安裝有錐形空間，用于收集和排出實驗過程中的燃料液體．腔內(nèi)的高壓惰性環(huán)境由高壓氮氣提供，采用壓力傳感器實時測量腔內(nèi)壓力．為減少供壓時空氣擾動對液滴流的影響，在腔體上部的空氣入口處安裝有泡沫銅整流板，可將腔內(nèi)空氣流速控制在0.1m/s以下，并有效減少氣流的渦結(jié)構．此外，在腔體外壁不同高度處還安裝有若干K型熱電偶，用于檢測壁面及腔內(nèi)不同位置的空氣溫度．在本實驗中，腔體內(nèi)部及液體的溫度為(298.2±1.0)K．

圖1?實驗系統(tǒng)示意

1.2?液滴粒徑及蒸發(fā)率測量

如圖2所示，根據(jù)幾何光學原理，粒子干涉成像中的條紋結(jié)構是由液滴外表面反射光(＝0)與直接透射光(＝1)之間的干涉產(chǎn)生的．干涉條紋的頻率r與液滴直徑有關，其關系可以表示為[17]：

式中：為入射光波長；f為散射角．液滴粒徑發(fā)生微小變化時，其干涉條紋會產(chǎn)生相移．粒徑變化量D與條紋結(jié)構的相移Dφ間的關系可表示為

系數(shù)c是液滴折射率的函數(shù)：

cδ隨折射率的相對變化非常小，在本實驗中近似處理為常數(shù)．由式(2)可以看出，液滴干涉條紋的相移線性地依賴于其尺寸變化，但與液滴尺寸無關．這表明，該技術可以在相同靈敏度的情況下，對相當大范圍的液滴尺寸變化進行測量，且測量精度與液滴尺寸無關．

實驗中采用高曝光時間，從而同時記錄液滴流軌跡上不同高度液滴的彩虹信號．經(jīng)標定，PHIPI系統(tǒng)的測量高度為＝7.5mm．由于液滴流良好的單分散性，通過高速相機標定的液滴速度，可由式＝/d將液滴位置信息轉(zhuǎn)換為時間信息，從而得到液滴的蒸發(fā)常數(shù)值．

2?實驗結(jié)果與討論

2.1?液滴速度及間距測量結(jié)果

在一定流量下，調(diào)整壓電驅(qū)動器的激勵頻率，以得到不同粒徑、間距的單分散液滴流．圖3為j＝1.4mL/min時，不同激勵頻率下液滴流的陰影圖像．

圖3?不同激勵頻率下的液滴流顯微陰影圖像

引入液滴流的無量綱間距參數(shù)＝/以量化液滴間的相互作用．圖4(a)中給出了高速顯微陰影法測量得到的液滴平均粒徑、間距及無量綱間距參數(shù)隨壓電驅(qū)動器激勵頻率的變化．在一定范圍內(nèi)，隨著激勵頻率增加，液滴的粒徑、間距和無量綱間距參數(shù)均減?。诹髁?.4mL/min工況下，可以得到液滴的粒徑范圍為131～179μm，無量綱間距參數(shù)的范圍為2.1～3.9．

圖4 高速顯微陰影法測得的液滴尺寸、間距及不同注射流量下的液滴速度

液滴的速度可通過對相鄰兩幀圖像液滴位置的處理得到．理想情況下，液滴速度可通過d＝j/pinhole進行估算，其中pinhole為液滴流發(fā)生器的噴嘴面積．但由于液滴下落過程中還受到曳力等影響，速度會偏離理論值．圖4(b)給出了不同流量下測量得到的液滴速度數(shù)據(jù)．可以看到，液滴速度隨注射流量近似呈線性變化．且隨著注射流量增大，液滴實際速度與理論速度的相對誤差減小．

2.2?腔內(nèi)氣流場標定結(jié)果

在實驗開始前，向腔內(nèi)加入示蹤粒子，并用片激光照射流場．在腔內(nèi)被照亮區(qū)域的垂直方向，利用高速相機記錄示蹤粒子的運動圖像，利用互相關算法進行處理得到流場的速度矢量分布[18]．如圖5(a)是注射流量1.2mL/min工況下(對應液滴流速度4.1m/s)，腔內(nèi)氣流場的速度矢量分布．由于液滴流與其附近示蹤粒子的光強差較大，對液滴流部分進行了Mask處理．沿方向選中一條直線，繪制其上的速度分布，如圖5(b)．可以看出，越靠近液滴流，氣流速度越大．在距離液滴約15mm(100倍液滴粒徑)處，氣流速度衰減到0.1m/s以下．因而，在本實驗中，將液滴的絕對速度視為其與氣流的相對速度．

圖5 液滴流周圍空氣流動的PIV圖像和距液滴軸線不同位置的空氣速度分布

2.3?PHIPI測量結(jié)果

利用粒子干涉成像技術測量液滴粒徑，首先需要對相機進行散射角標定，即確定測量點處液滴的散射光絕對角度與相機像素的函數(shù)關系．本實驗通過記錄一系列已知折射率、粒徑液滴的前向散射圖像，利用Mie散射理論計算相應的散射信號，比較若干個條紋峰值對應的散射角/像素點位置，經(jīng)過線性擬合可以得到相機靶面上的散射角分布．

圖6為大氣壓力下，注射流量1.4mL/min時不同激勵頻率下的PHIPI圖像及其歸一化光強分布．從圖6(b)中可以看出，隨著激勵頻率增加，液滴粒徑變小，條紋頻率減小．利用式(1)，對液滴粒徑進行反演，并將結(jié)果與高速顯微陰影法得到的液滴粒徑進行對比，其相對誤差在1.5%內(nèi)，證明了液滴發(fā)生系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性．

圖6 不同激勵頻率下的PHIPI圖像及其歸一化光強?分布

液滴在腔體中自上而下運動，伴隨著蒸發(fā)，導致微小的粒徑變化．在同一張圖像中(圖7(a))，繪制其不同像素行的條紋相對光強分布，如圖7(b)．可以觀察到，隨著像素行(時間)數(shù)值增大，液滴散射的條紋相對光強分布的頻率一致，即無法通過頻率分辨液滴粒徑的變化．然而，其條紋結(jié)構向更大的散射角方向產(chǎn)生了明顯的相移．將圖7(a)中綠線標示像素行(＝0ms)的光強分布作為參考r，并計算其與紅線標示像素行(＝1.5ms)光強分布t的交叉功率譜密度rt(c)：

rt在相干頻率c處存在全局最大值．從＝0ms到1.5ms，干涉條紋的相移為0.5π，通過式(2)、(3)得出液滴的粒徑變化量約為140nm．

由液滴蒸發(fā)的經(jīng)典理論——2定律，液滴的蒸發(fā)常數(shù)可以表示為

基于此，計算不同工況下液滴流的蒸發(fā)常數(shù)數(shù)值.圖8(a)為1.6mL/min下，不同液滴流無量綱間距參數(shù)時的蒸發(fā)常數(shù)．在實驗運行范圍內(nèi)，液滴蒸發(fā)常數(shù)幾乎線性依賴于無量綱間距參數(shù)．隨著由1.81增加至3.22，液滴蒸發(fā)常數(shù)e由0.8×10-8升至1.2×10-8．由于實驗溫度遠低于液體沸點，液滴的蒸發(fā)主要由傳質(zhì)主導．隨著液滴的相對間距減小，液滴附近蒸氣濃度梯度減小，傳質(zhì)推動力減小，導致蒸發(fā)常數(shù)變?。?/p>

為了對比液滴速度和環(huán)境壓力對液滴流蒸發(fā)的影響，在不同流量下，挑選液滴無量綱間距參數(shù)較相近的工況．如圖8(b)為≈2.9時，不同液滴速度和環(huán)境壓力下液滴流的蒸發(fā)常數(shù)．可以看出，液滴蒸發(fā)常數(shù)和液滴速度呈正相關，而與環(huán)境壓力呈負相關．環(huán)境壓力與溫度對液滴蒸發(fā)速率存在耦合影響：一方面，環(huán)境壓力升高會導致液滴的擴散系數(shù)降低，蒸氣傳質(zhì)動力減小，蒸發(fā)變慢；而另一方面，會使汽化潛熱減少，增強液滴表面與氣體的傳熱，使蒸發(fā)加快．在常溫時，前者的影響占據(jù)了主導，因而表現(xiàn)為蒸發(fā)常數(shù)隨環(huán)境壓力升高而減?。畬嶒炦^程中，在環(huán)境壓力從0.1MPa增至0.8MPa時，對于流速7.3m/s、6.1m/s、5.2m/s、4.1m/s的液滴流，其蒸發(fā)常數(shù)的相對變化分別為19.3%、20.4%、25.7%、27.6%．這一結(jié)果表明，環(huán)境壓力的變化對較低流速液滴蒸發(fā)的影響更為明顯．

圖8 液滴無量綱間距參數(shù)和環(huán)境壓力對蒸發(fā)常數(shù)的?影響

3?結(jié)?論

采用相位粒子干涉成像(PHIPI)技術，并結(jié)合PIV、高速顯微陰影法對不同流量、激勵頻率下的單分散液滴流在不同環(huán)境壓力下的蒸發(fā)進行了測量．根據(jù)PHIPI圖像的相移，計算了液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)量．基于實驗數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1) 液滴流無量綱間距參數(shù)越小，液滴間相互作用越明顯，液滴表面?zhèn)髻|(zhì)驅(qū)動力越小，導致液滴蒸發(fā)速率減?。?/p>

(2) 隨著液滴速度增加，其與周圍氣體的傳熱、傳質(zhì)強度均增加，蒸發(fā)速率顯著增大．

(3) 在實驗所處的室溫條件下，壓力升高對傳質(zhì)的抑制作用占主導低位，因而蒸發(fā)速率隨環(huán)境壓力增大而減?。?/p>

(4) 液滴流速越低，環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響更明顯．

在下一步工作中，將對腔內(nèi)進一步加壓，并對空氣和腔體升溫，綜合考慮環(huán)境溫度與壓力對液滴蒸發(fā)的耦合作用；結(jié)合其他光學測量技術，對液滴流溫度及其附近的蒸氣濃度等進行測量．

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Characterization of Effect of Ambient Pressure on Transient Evaporation of Droplet Stream

Lü Qimeng，Wu Yingchun，Zeng Lei，Li Can，Xu Dongyan，Wu Xuecheng

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

To investigate the effect of droplets interactions on their evaporation rates under high pressure conditions，the present study examines the use of phase interferometric particle imaging(PHIPI)technique to characterize the evaporation of a monodisperse ethanol droplet stream under pressure conditions. The monodisperse droplet stream，generated from jet disintegration，was injected into the constant pressure chamber. The droplet size and spacing were calibrated by high-speed microscopic shadowgraphy. Besides，the gas motion in the vicinity of the droplet stream was characterized by particle velocimetry imaging. Under different ambient pressures(ranging from 0.1 to 0.8MPa)，the evaporation rates of droplets(with the diameter ranging from 100 to 200μm)were measured using PHIPI. The dimensionless spacing parameter in this study was limited between 2 to 4，and the velocity of the droplet stream ranged from 4.1 to 7.3m/s. The experimental results demonstrate a great influence on droplet evaporation due to droplet interactions. Furthermore，ambient pressure decreases the droplet evaporation rate at room temperature and such influence is more significant for the droplet stream with smaller velocity.

droplet evaporation；droplet stream；ambient pressure；phase interferometric particle imaging

TK11

A

1006-8740(2022)04-0403-07

10.11715/rskxjs.R202206008

2021-02-21.

國家重大科技專項資助項目(J2019-III-0006-0049).

呂綺夢（1996—??），女，博士研究生，lvqm@zju.edu.cn.

吳迎春，男，博士，研究員，wycgsp@zju.edu.cn.

(責任編輯：梁?霞)