EXPERIMENTAL STUDY ON EVAPORATION AND MICRO-EXPLOSION CHARACTERISTICS OF OXYGEN-CONTAINING DROPLETS ON HIGH-TEMPERATURE WALL
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摘要: 以含氧燃料液滴为研究对象, 搭建了一套高温壁面液滴蒸发试验平台, 并进行了试验系统一致性验证; 在此基础上, 分别开展了乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油(PODE柴油)以及二硝酰胺铵(ADN)溶液3种含氧燃料在沸点温度及Leidenfrost温度时的蒸发及微爆特性研究. 结果表明, 3种燃料在两种特定温度下的蒸发及微爆特性均会呈现不同的现象: 与沸点温度时不同, 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度下, 大部分时间在高温壁面上进行弹跳或者移动, 液滴微爆延迟时间和持续时间明显变长, 液滴微爆强度也相对较高; PODE柴油液滴在Leidenfrost温度下, 最后的蒸发过程中并没较大铺展开, 基本一直都在壁面弹跳或移动中消失, 液滴微爆延迟时间和微爆持续时间相对变短, 但液滴微爆强度变化较小; ADN推进剂液滴在Leidenfrost温度下, 会不停地进行弹跳或者移动, 直至液滴完全消失, 液滴微爆对液滴体积影响较小(当量蒸发速率为0), 液滴微爆延迟时间变短, 且液滴微爆强度有一定的变小. 另外, 通过3种燃料微爆特性对比发现: ADN推进剂液滴在沸点温度下, 蒸发时除了有气泡产生, 内部组成成分之间还会发生剧烈的热解反应, 进而产生着火现象, 直至液滴消失, 其微爆延迟时间相对最短, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也最小, 但液滴微爆强度相对较大; PODE柴油液滴在沸点温度下的微爆延迟时间相对较长, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也较大.
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关键词:
- 含氧液滴 /
- 高温壁面 /
- 微爆特性 /
- 沸点 /
- Leidenfrost温度
Abstract: Oxygen-containing fuel droplet is taken as the research object in this article, a high-temperature wall droplet evaporation test platform is built, and the consistency of the test system is verified. On this basis, the evaporation and micro-explosion characteristics of three oxygen-containing fuels, namely ethanol-biodiesel, polymethoxy dimethyl ether diesel (PODE-diesel), and ammonium dinitramide (ADN) solution, were studied at boiling point temperature and Leidenfrost temperature. The results show that the evaporation and micro-explosion characteristics of the three fuels exhibit different phenomena at two specific temperatures: unlike at boiling point temperature, ethanol-biodiesel droplets bounce or move mostly on high-temperature wall at Leidenfrost temperature, resulting in significantly longer delay and duration of droplet micro explosion, and relatively higher droplet micro-explosion intensity; At the Leidenfrost temperature, PODE-diesel droplets do not spread out significantly during the final evaporation process, and they basically disappear during wall bouncing or movement. The delay time and duration of droplet micro-explosion are relatively shorter, but the droplet micro-explosion intensity changes less; At the Leidenfrost temperature, ADN droplets will continuously bounce or move until the droplets completely disappear. The droplet micro-explosion has a small impact on the droplet volume (equivalent evaporation rate is 0), the delay time of droplet micro explosion becomes shorter, and the droplet micro-explosion intensity decreases to a certain extent. In addition, by comparing the micro-explosion characteristics of three types of fuels, it was found that at the boiling point temperature, ADN droplets not only produce bubbles during evaporation, but also undergo intense pyrolysis reactions between internal components, leading to ignition until the droplets disappear. The delay time of micro-explosion is relatively short, and the percentage of micro-explosion duration to droplet survival time is also the smallest, but the micro-explosion intensity of droplets is relatively large; The delay time of micro-explosion of PODE-diesel droplets at boiling point temperature is relatively long, and the percentage of micro-explosion duration to droplet survival time is also large. -
引 言
高温壁面上液滴的蒸发现象普遍存在于日常生活及工业活动中, 例如生活中高温锅面上的油滴或水滴及内燃机内部高温缸壁上的燃油等. 以内燃机缸壁上的燃油蒸发为例, 壁面温度不同, 其蒸发特性不同; 另外, 燃油种类不同, 蒸发特性亦不同. 不同蒸发特性会带来燃油雾化质量及后续燃烧效果的区别. 因此, 探究不同壁温下不同燃油液滴种类的蒸发特性具有重要的工程价值.
含氧燃料作为一种可再生资源, 因其分子中含有氧元素, 可与化石燃料混合使用, 有利于燃烧更加充分, 减少污染物的产生, 主要用于农用机械、工程机械、汽车及航空航天等不同用途的内燃机中. 已有研究表明[1-2], 含氧燃料在内燃机高温蒸发过程中, 其液滴会发生微爆效应, 从而使内燃机具有较好的燃烧效率和较低的排放污染物.
微爆概念最早由Ivanov等[3]在1962年的报告中提及, 用来表述乳化油液滴在高温中进行蒸发和燃烧时会产生较为剧烈的破碎现象. 微爆现象是用来描述两种以上不同沸点组分的混合液在受热蒸发或燃烧过程中出现的剧烈破碎现象. 高温加热时, 液滴内部轻质组分先达到沸点, 成核汽化产生气泡, 当达到某一临界点时, 突破液滴表面张力, 发生微爆, 使液滴破碎成为小液滴. 因此, 微爆的存在可以促进喷雾射流的二次破碎, 从而改善燃料的雾化效果, 提高蒸发速率.
之后, 国内外相关学者[4-21]针对燃料液滴的微爆特性开展了大量的理论及试验研究. 如Botero等[4]基于乙醇、柴油和生物柴油3种燃料, 开展微爆特性试验探究, 得到了不同质量分数对混合燃料液滴微爆的影响规律. Wang等[5]以正庚烷和十六烷的混合燃料为试验对象, 开展双组分液滴的燃烧和微爆试验研究. Avulapati等[6]基于悬挂试验系统, 对柴油、生物柴油和乙醇3种液体组成的混合燃料开展液滴微爆试验探究, 将混合燃料的微爆特性主要分为平滑蒸发、吹脱和爆炸3种情况. Hou等[7]基于挂滴式试验系统, 探究柴油和生物柴油混合后的燃料液滴的蒸发、微爆及燃烧特性. Watanabe等[9]基于质量守恒和能量守恒方程开发一个可以用于预测单液滴微爆中产生的水蒸气质量的数学模型. 张依姗[13]基于建立的生物柴油/乙醇含气液滴仿真模型, 开展了不同温度下液滴微爆特性的影响规律研究. 玄铁民等[14]探究了在不同混合体积分数、环境温度条件下, 甲醇/加氢催化生物柴油混合液滴的微爆特性. 孟柯生[15]研究了航空燃油、乙醇与生物柴油3种燃料混合后的微爆特性, 从而寻找可以替代航空燃油的生物柴油. Parveg等[16]全面总结了新型含能液滴CNF的蒸发微爆动力学研究, 其独特的微爆特性有利于提高发动机性能并显著减少有害物排放. Pamuluri等[17]研究了乙醇与麻风树油混合燃料液滴的微爆与燃烧特性, 得到了成分浓度和温度对混合燃料液滴微爆的影响. Yin等[18]通过实验探究了初始液滴尺寸、环境温度和压力对 RP70E30液滴(质量比为70%的RP-3航空煤油和 30%乙醇的混合液)微爆及蒸发特性的影响, 获取了液滴温度和尺寸的变化情况. Liu等[19]通过实验探究了在不同环境温度和初始质量分数下, 正庚烷/正十六烷双组分混合液滴的沸腾特性, 对鼓泡现象进行了细化分类, 分析了初始条件对沸腾模式的影响. Xu等[20]利用高速背光成像技术研究了正丁醇/正戊醇/生物柴油混合燃料液滴群的微爆及燃烧特性, 发现当归一化液滴间距较小时会发生聚并现象, 在特定的间距范围内会出现不同的燃烧模式, 部分液滴的燃烧速率在特定间距时达到峰值且高于单液滴的燃烧速率, 并得出结论: 由于“群体微爆”效应, 液滴群中心的液滴微爆强度高于其他液滴(类似于单液滴)的微爆强度. Zhang等[21]建立加热板恒温控制系统, 制备不同比例乙醇柴油混合燃料并开展实验, 观察分析混合液滴4种蒸发破碎模式, 提出蒸发过程分3阶段及膨胀破碎强度概念, 计算相关数据并分析其随乙醇比例变化原因, 还计算各蒸发阶段时间占比, 解释瞬时加热阶段时间占比随乙醇含量增加呈抛物线规律的现象.
通过国内外研究现状可以发现, 目前对混合燃料液滴蒸发及微爆特性的试验研究, 主要是通过改变液滴不同组分的掺混比例或者环境温度等参数来研究对液滴蒸发及微爆特性的影响规律. 而针对不同含氧燃料在沸点及Leidenfrost温度等临界温度时的微爆特性研究还相对缺乏.
基于此, 本文以含氧燃料液滴为研究对象, 搭建高温壁面液滴蒸发试验平台, 并进行试验系统一致性验证; 在此基础上, 分别开展乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油(PODE柴油)以及二硝酰胺铵(ADN)溶液3种含氧燃料在沸点温度及Leidenfrost温度时的微爆特性研究. 通过本文研究, 拟加深对含氧燃料液滴在临界温度时蒸发和微爆特性的理解, 从而为实现控制含氧燃料液滴蒸发及微爆过程提供重要依据.
1. 高温壁面液滴蒸发试验平台
1.1 试验仪器及系统布置
本文搭建了一套高温壁面液滴蒸发试验平台, 本试验平台主要包括液滴的生成部分、液滴传送部分、液滴加热部分、图像和温度采集部分等4大部分. 液滴生成部分包括: 微量注射器、胶头滴管和玻璃试管等; 液滴传送部分包括: K型热电偶丝、陶瓷管、57步进电机、滚珠丝杠和步进电机控制器等; 液滴加热部分包括: 闭式电子炉、石英玻璃和温控仪等; 图像和温度采集部分包括: 高速摄影仪、光源、匀光板、计算机、K型热电偶丝、长焦微距镜头和温度采集模块等.
图1(a)给出的是高温壁面液滴蒸发试验平台的布置图, 图1(b)给出了高温壁面液滴蒸发试验平台的示意图. 在此试验平台的基础上, 可以进行不同物性的液滴在不同高温壁面蒸发及微爆的试验研究.
1.2 试验液体
本文采用的是乙醇生物柴油、PODE柴油以及ADN溶液3种含氧燃料作为试验液体. 表1给出的是3种试验液体涉及燃料的物性参数[22-23].
表 1 不同液体的物性参数Table 1. Physical properties of different liquidsExperimental
liquidDensity/
(g·mL−1)Viscosity/
(mPa·s)Boiling
point/°CSurface tension/
(mN·m−1)anhydrous ethanol 0.785 1.003 78 21.2 biodiesel 0.88 6.24 325 ~ 350 30.3 PODE 0.99 ~ 1.10 0.81 ~ 2.93 105 ~ 320 28.8 ~ 32.6 diesel 0.83 ~ 0.86 2.49 ~ 4.52 180 ~ 370 26.8 ADN 1.29 4.60 127 44.7 1.3 试验系统一致性验证
为使搭建的依附式试验系统具有较好的一致性, 确保试验结果的可靠性和准确性. 将对两组重复试验的结果进行对比, 分析结果的偏差.
分别选取含乙醇质量分数为50%的乙醇生物柴油液滴、含聚甲氧基二甲醚质量分数为40%的PODE柴油液滴为研究对象, 液滴初始直径都为2 mm, 乙醇生物柴油液滴在壁面温度为530 K时, 将液滴移动到高温壁面, 进行两组试验, 得到两次液滴生存时间; 将PODE柴油液滴在壁面温度为470 K时进行两次试验, 得到液滴生存时间. 4次试验结果的对比如图2所示.
由图2可知, 乙醇生物柴油液滴在两次试验中, 两次结果产生的偏差为2.91%; 聚甲氧基二甲醚柴油液滴两次试验结果中, 产生的偏差为3.92%. 两组试验的结果偏差均低于5%, 所以搭建的试验系统及测量结果具有较好的一致性.
试验的图像处理流程如图3所示. 详细处理步骤请参见文献[23].
2. 液滴微爆表征参数
本节根据图像处理之后的液滴直径的试验数据, 以及国内外文献[24-30]对液滴微爆特性的研究, 给出用于分析液滴微爆特性的表征参数: 液滴微爆强度、液滴微爆延迟时间、液滴微爆持续时间、液滴生存时间及微爆阶段的当量蒸发速率, 下面对这些表征参数进行定义.
液滴微爆强度[29]是指液滴在微爆阶段中每次微爆强度之和, 因为在液滴微爆过程中, 会发生次数较多的微爆, 所以用每次微爆强度之和来表示液滴微爆强度更加合理. 单次微爆强度用液滴微爆前的液滴直径平方与微爆后液滴直径平方之比来表示, 液滴微爆强度的表达式为
$$ I{\text{ = }}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{d_{i1}^2}}{{d_{i2}^2}}} $$ (1) 式中, di1为液滴微爆前直径, di2为液滴微爆后直径.
图4给出的是液滴微爆延迟时间、液滴微爆持续时间及液滴生存时间的示意图; 纵坐标为液滴归一化直径平方$D^2/D^2_0 $, 是指液滴当前直径平方与液滴初始直径平方的比值; 横坐标为标准化时间τ, 是指时间与液滴初始直径平方的比值$\tau =t/D^2_0 $.
液滴微爆延迟时间φ1是指液滴从进入加热室位置时刻t0到液滴首次发生微爆的时刻t2的时间段与液滴初始直径平方的比值, 可以反映液滴在微爆发生时吸收能量的多少.
在剧烈微爆阶段, 液滴微爆持续时间φ2是指液滴在发生微爆前开始膨胀的时刻t1到液滴最后一次微爆结束后的时刻t3与液滴初始直径平方的比值, 此时间段液滴直径平方随着时间变化会有较为剧烈的波动过程.
液滴生存时间φ0是指液滴从进入加热室位置时刻t0到液滴完全消失或只剩残留物(即液滴体积不再随时间变化)的时刻t4与液滴初始直径平方的比值.
微爆持续时间所占液滴生存时间的百分比是指液滴微爆持续时间φ2与液滴生存时间φ0的比值, 可以反映液滴微爆阶段在液滴寿命中的占比.
在液滴剧烈微爆阶段, 液滴直径处于不断变化的波动过程, 所以微爆过程中的蒸发速率不易计算. 为便于后续分析微爆阶段, 在本文中将微爆阶段的当量蒸发速率定义为: 液滴微爆发生前开始膨胀时刻t1的液滴直径平方及液滴最后一次微爆结束后的时刻t3的液滴直径平方的差值与两时刻之间时间差的比值, 当量蒸发速率的表达式为
$$ k{\text{ = }}\frac{{d_1^2 - d_3^2}}{{{t_3} - {t_1}}} $$ (2) 式中, d1为t1时刻的液滴直径大小, d3为t3时刻的液滴直径大小.
3. 沸点温度时含氧液滴蒸发微爆特性
为了试验现象的观测, 在含氧混合液滴沸点温度选取时, 乙醇生物柴油的沸点温度采用略高于生物柴油的沸点温度, 聚甲氧基二甲醚柴油的沸点温度采用略高于柴油的沸点温度, 二硝酰胺铵溶液的沸点温度采用略高于其实际沸点的温度. 因此, 本文在试验中选择乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油和二硝酰胺铵混合液滴的沸点温度分别为600 K, 550 K和420 K.
3.1 乙醇生物柴油
本节以含乙醇质量分数为50%的乙醇生物柴油液滴为研究对象, 在液滴初始直径为2 mm, 壁面温度为600 K的条件下, 液滴在蒸发过程中的形态变化图像如图5所示.
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图 5 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时蒸发形态变化Figure 5. Morphological changes during droplet evaporation of ethanol biodiesel at boiling point由图5可得, 乙醇生物柴油液滴在高温壁面微爆过程中, 在t = 0.016 s时, 液滴刚接触壁面, 由于壁面温度相对较高, 液滴会弹跳起, 随后又落下, 在经过几次弹跳后, 液滴状态会趋于稳定. 在t = 0.336 s时, 液滴有烟雾产生, 且液滴体积已经开始有一定的变化; 在t = 0.544 s时, 液滴体积达到相对最大值, 随后液滴形状发生较大变化, 发生微爆现象; 在t = 0.64, 0.792和1.08 s时, 液滴产生微爆或有小液滴的喷射. 在t = 1.144 ~ 2.416 s这一时间段, 液滴体积开始逐渐减小, 此过程液滴体积和质量逐渐减小, 直至液滴完全蒸发.
图6给出的是在图5的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 6 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时归一化直径平方变化Figure 6. Droplet normalized diameter squared change of ethanol biodiesel at boiling point由图6可知, 乙醇生物柴油液滴在高温壁面的微爆过程中, 液滴共发生3次主要的微爆, 前两次时间间隔很小, 第3次间隔相对较大; 液滴归一化直径平方最大值为2.8, 变化幅度相对较大.
图7给出的是乙醇生物柴油液滴在沸点温度壁面微爆过程中微爆延迟时间、微爆强度、微爆持续时间及微爆持续时间占液滴生存时间的百分比等微爆表征参数的数值.
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图 7 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时微爆表征参数Figure 7. Droplet micro-explosion characterization parameters of ethanol biodiesel at boiling point由图7可得, 液滴微爆延迟时间为0.064 s/mm2, 微爆强度I = 3.64, 液滴微爆持续时间为0.129 s/mm2, 微爆持续时间占液滴整个生存时间的百分比为14.58%. 说明乙醇生物柴油在沸点温度下, 液滴微爆过程持续时间在整个液滴生存时间中相对较短, 液滴微爆强度相对较低.
3.2 聚甲氧基二甲醚柴油
本节以含聚甲氧基二甲醚质量分数为40%的聚甲氧基二甲醚柴油液滴为研究对象, 液滴初始直径为2 mm, 在壁面温度为550 K的条件下, 液滴在蒸发过程中的形态变化图像, 如图8所示.
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图 8 PODE柴油液滴在沸点温度时蒸发形态变化Figure 8. Morphological changes during droplet evaporation of PODE-diesel at boiling point由图8可得, t = 0.024 s液滴在高温壁面的微爆过程中, 接触壁面后液滴弹跳后落下, 在此过程中液滴有稍微变形. 在t = 2.104 s时, 液滴内部有小气泡产生, 随后气泡不断生长; 在t = 2.424 s时, 气泡发生破碎, 液滴发生微爆. 在t = 2.92 s时, 液滴又发生微爆; 此后液滴在t = 2.952 ~ 4.136 s内, 体积和质量逐渐减小直至液滴完全消失, 但无微爆发生. 在沸点温度下, 液滴微爆对液滴体积的影响相对较小, 液滴的生存时间也相对较长.
图9给出的是在图8的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 9 PODE柴油液滴在沸点温度时归一化直径平方变化Figure 9. Droplet normalized diameter squared change of PODE-diesel at boiling point由图9可知, 聚甲氧基二甲醚柴油液滴在高温壁面微爆过程中, 液滴最大归一化直径平方为1.37, 液滴最大体积相对变化较小; 液滴共发生两次微爆, 第一次微爆液滴体积与第二次相比变化较大.
图10给出的是聚甲氧基二甲醚柴油液滴在沸点温度壁面微爆过程中微爆表征参数的数值.
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图 10 PODE柴油液滴在沸点温度时微爆表征参数Figure 10. Droplet micro-explosion characterization parameters of PODE-diesel at boiling point由图10可得, 液滴微爆延迟时间为1.496 s/mm2, 微爆强度I = 2.94, 液滴微爆持续时间为1.894 s/mm2, 其占液滴整个生存时间为42.64%. 因此, 聚甲氧基二甲醚柴油液滴在沸点温度下, 与乙醇生物柴油相比, 微爆延迟时间相对较长, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也较大.
3.3 二硝酰胺铵
本节以二硝酰胺铵推进剂液滴为研究对象, 液滴初始直径为2 mm, 在壁面温度为420 K的条件下, 液滴在蒸发过程中的形态变化图像如图11所示.
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图 11 ADN液滴在沸点温度时蒸发形态变化Figure 11. Morphological changes during droplet evaporation of ADN at boiling point由图11可得, 二硝酰胺铵液滴在高温壁面的微爆过程中, 液滴在接触壁面后会迅速铺展开, 液滴颜色变白且有白烟生成; 在t = 0.088 s时, 液滴内有气泡生成, 此时气泡体积最大, 随后液滴发生微爆; 在t = 0.176, 0.352和0.44 s时, 液滴也产生微爆, 且液滴体积已明显变小. 在t = 1.216 s时, 液滴周围有少部分液滴铺展开, 随后液滴体积会逐渐减小. 在整个蒸发过程中, ADN 液滴除了有气泡产生, 其内部组成成分之间还会发生剧烈的热解反应, 一直伴随着着火现象, 直至液滴完全消失.
图12给出的是在图11的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 12 ADN液滴在沸点温度时归一化直径平方变化Figure 12. Droplet normalized diameter squared change of ADN at boiling point由图12可知, 二硝酰胺铵液滴在高温壁面的微爆过程中, 液滴归一化直径平方的起伏主要在初期; 且液滴起伏前期变化较大, 后期变化较小; 在起伏过程中液滴归一化直径平方最大值为2.41; 在液滴直径变化后期, 基本无液滴起伏, 液滴直径逐渐变小直至液滴完全消失.
图13给出的是二硝酰胺铵液滴在沸点温度壁面微爆过程中微爆表征参数的数值.
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图 13 ADN液滴在沸点温度时微爆表征参数Figure 13. Droplet micro-explosion characterization parameters of ADN at boiling point由图13可得, 液滴微爆延迟时间为
0.0019 s/mm2, 微爆强度I = 8.99, 液滴微爆持续时间为0.076 s/mm2, 其占液滴整个生存时间的4.3%. 因此, 二硝酰胺铵液滴在沸点温度下, 与乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油相比, 微爆延迟时间相对最短, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也最小, 但液滴微爆强度相对较大.4. Leidenfrost温度时含氧液滴蒸发微爆特性
Leidenfrost现象是在液滴接触高温壁面时, 由于壁面温度较高, 液滴和壁面接触时会产生一层蒸气膜, 使液滴在壁面进行弹跳[31].
在Leidenfrost临界温度时, 由于液滴不会依附在壁面, 而是在壁面不停移动. 为探究含氧液滴在Leidenfrost临界温度时的微爆特性, 本节选取乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油和二硝酰胺铵混合液滴的Leidenfrost温度分别为670 K, 610 K和470 K.
4.1 乙醇生物柴油
本节以含乙醇质量分数为50%的乙醇生物柴油液滴为研究对象, 在液滴初始直径为2 mm, 壁面温度为670 K的条件下, 液滴在微爆过程中的形态变化图像, 如图14所示.
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图 14 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化Figure 14. Morphological changes during droplet evaporation of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature由图14可得, 在Leidenfrost临界温度下, 乙醇生物柴油液滴在微爆过程中, 液滴大部分时间在高温壁面上进行弹跳或者移动. 在t = 1.024 s时, 液滴内有气泡产生, 随后液滴内有小液滴喷射发生微爆; 在t = 1.52 s时, 液滴发生微爆, 可观察到在t = 1.6 s时, 此次微爆有小液滴产生; 在t = 1.832, 2.112和2.368 s时, 液滴有微爆发生. 在t = 2.848 s时, 液滴开始逐渐铺展开并逐渐蒸发, 直至液滴完全消失, 但仍有部分残留物在壁面.
图15给出的是在图14的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 15 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化Figure 15. Droplet normalized diameter squared change of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature由图15可知, 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost临界温度下的微爆过程中, 液滴归一化直径平方的起伏相对较大, 且起伏次数较多; 在起伏过程中, 液滴归一化直径平方最大值为2.48. 与沸点温度时相比, 液滴微爆时间相对较长; 液滴生存时间明显变长.
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图 16 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数Figure 16. Droplet micro-explosion characterization parameters of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature图16给出的是乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost临界温度壁面微爆过程中微爆延迟时间、微爆强度、微爆持续时间及微爆阶段的当量蒸发速率等微爆表征参数的数值.
由图16可得, 液滴微爆延迟时间为0.341 s/mm2, 微爆强度I = 8.01, 液滴微爆持续时间为1.22 s/mm2, 液滴当量蒸发速率k = 0.21. 液滴在Leidenfrost临界温度下的微爆表征参数与沸点温度时相比, 液滴微爆延迟时间和持续时间明显变长, 液滴微爆强度相对较强.
4.2 聚甲氧基二甲醚柴油
本节以含聚甲氧基二甲醚质量分数为40%的聚甲氧基二甲醚柴油液滴为目标对象, 液滴初始直径为2 mm, 在壁面温度为610 K的条件下, 液滴在蒸发过程中形态变化的图像如图17所示.
由图17可得, 在Leidenfrost临界温度下, 液滴会不停进行弹跳或在壁面移动. 在t = 1.248 s时, 液滴内部有气泡产生, 在壁面温度的左右下, 气泡体积不断变大, 在t = 1.648 ~ 1.75 s内, 液滴体积达到最大后, 液滴发生微爆, 有小液滴产生. 在t = 2.064 s时, 液滴发生微爆, 但小液滴喷射较远. 在t = 2.592 ~ 3.888 s时间段, 液滴在壁面上的体积逐渐减小直至完全消失. 与沸点温度时不同, 液滴在最后的蒸发过程中并没较大铺展开, 基本一直都在壁面弹跳或移动中消失.
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图 17 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化Figure 17. Morphological changes during droplet evaporation of PODE-diesel at Leidenfrost temperature图18给出的是在图17的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 18 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化Figure 18. Droplet normalized diameter squared change of PODE-diesel at Leidenfrost temperature从图18可知, 在Leidenfrost临界温度下, 聚甲氧基二甲醚柴油液滴在微爆过程中, 液滴归一化直径平方的起伏次数较少, 归一化直径平方最大值为1.48, 液滴体积变化幅度相对较小. 与在沸点温度时相比, 液滴生存时间和最大体积相差较小.
图19给出的是PODE柴油液滴在Leidenfrost温度壁面微爆过程中微爆表征参数的数值.
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图 19 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数Figure 19. Droplet micro-explosion characterization parameters of PODE-diesel at Leidenfrost temperature由图19可得, 液滴微爆延迟时间为0.673 s/mm2, 微爆强度I = 2.91, 液滴微爆持续时间为0.69 s/mm2, 液滴当量蒸发速率k = 0.41. 与沸点温度下相比, 液滴微爆延迟时间和持续时间相对变短, 但液滴微爆强度相差较小.
4.3 二硝酰胺铵
本节以二硝酰胺液滴为目标对象, 在壁面温度为470 K, 液滴初始直径为2 mm的条件下, 液滴在蒸发过程中形态变化的图像如图20所示.
由图20可得, 在Leidenfrost温度下, 二硝酰胺铵液滴在高温壁面的微爆过程中, 液滴会不停地进行弹跳或者移动. 在t = 0.064 s时, 液滴内有气泡变得最大, 随后液滴发生微爆; 在t = 0.104和0.152 s时, 液滴发生微爆, 液滴体积有一定的减小. 在t = 0.8, 1.088 s时, 液滴内有小气泡产生、破碎, 但对液滴体积影响较小. 在t = 1.28 ~ 2.104 s时间内, 液滴在壁面不停移动且体积逐渐减小, 直至液滴完全消失.
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图 20 ADN液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化Figure 20. Morphological changes during droplet evaporation of ADN at Leidenfrost temperature图21给出的是在图20的计算条件下, 液滴归一化直径平方随标准化时间的变化.
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图 21 ADN液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化Figure 21. Droplet normalized diameter squared change of ADN at Leidenfrost temperature由图21可知, 在Leidenfrost临界温度下, 二硝酰胺铵液滴在微爆过程中, 液滴归一化直径平方变化集中在初期, 起伏次数较密集; 归一化直径平方起伏变化幅度相对较大, 最大值为2.75.
图22给出的是ADN液滴在Leidenfrost温度壁面微爆过程中微爆表征参数的数值.
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图 22 ADN液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数Figure 22. Droplet micro-explosion characterization parameters of ADN at Leidenfrost temperature由图22可得, 液滴微爆延迟时间为0.001 s/mm2, 微爆强度I = 6.58, 液滴微爆持续时间为0.009 s/mm2, 液滴当量蒸发速率k = 0, 因为在微爆结束时液滴体积与微爆前基本无变化. 与沸点温度下相比, 液滴微爆延迟时间变短, 且液滴微爆强度有一定的变小.
5. 结论
本文以含氧燃料液滴为研究对象, 搭建了一套高温壁面液滴蒸发试验平台, 并进行了试验系统一致性验证; 在此基础上, 分别开展了乙醇生物柴油、聚甲氧基二甲醚柴油(PODE柴油)以及二硝酰胺铵(AND)溶液3种含氧燃料在沸点温度及Leidenfrost温度时的蒸发及微爆特性研究, 汇总试验结果如图23所示.
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图 23 3种液滴在沸点温度和Leidenfrost温度下微爆表征参数Figure 23. Characterization parameters of micro-explosion of three types of droplets at boiling point temperature and leidenfrost temperature对试验结果进行分析得到以下结论.
(1) 乙醇质量分数为50%的乙醇生物柴油, 在沸点温度下, 其液滴微爆主要是由于液滴内产生气泡, 气泡不断变大膨胀和爆破所致, 微爆持续时间在整个液滴生存时间中相对较短, 液滴微爆强度相对较低. 在Leidenfrost温度下, 乙醇生物柴油液滴在微爆过程中, 液滴大部分时间在高温壁面上进行弹跳或者移动, 液滴微爆延迟时间和持续时间明显变长, 液滴微爆强度也相对较高.
(2) PODE质量分数为40%的PODE柴油, 在沸点温度下, 其液滴微爆对液滴体积的影响相对较小, 液滴的生存时间也相对较长; 与乙醇生物柴油相比, 微爆延迟时间相对较长, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也较大. 在Leidenfrost温度下, 与沸点温度时不同, 液滴在最后的蒸发过程中并没较大铺展开, 基本一直都在壁面弹跳或移动中消失, 液滴微爆延迟时间和微爆持续时间相对变短, 但液滴微爆强度变化较小.
(3) 在沸点温度下, ADN推进剂液滴接触壁面后会迅速铺展, 颜色变白且有白烟生成; 在蒸发过程中, ADN 液滴除了有气泡产生, 其内部组成成分之间还会发生剧烈的热解反应, 一直伴随着着火现象, 直至液滴消失; 与乙醇生物柴油及聚甲氧基二甲醚柴油相比, 微爆延迟时间相对最短, 微爆持续时间占液滴生存时间的百分比也最小, 但液滴微爆强度相对较大. 在Leidenfrost温度下, 与沸点温度时不同, 液滴会不停地进行弹跳或者移动, 直至液滴完全消失; 液滴微爆对液滴体积影响较小(当量蒸发速率为0), 液滴微爆延迟时间变短, 且液滴微爆强度有一定的变小.
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图 5 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时蒸发形态变化
Figure 5. Morphological changes during droplet evaporation of ethanol biodiesel at boiling point
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图 6 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时归一化直径平方变化
Figure 6. Droplet normalized diameter squared change of ethanol biodiesel at boiling point
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图 7 乙醇生物柴油液滴在沸点温度时微爆表征参数
Figure 7. Droplet micro-explosion characterization parameters of ethanol biodiesel at boiling point
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图 8 PODE柴油液滴在沸点温度时蒸发形态变化
Figure 8. Morphological changes during droplet evaporation of PODE-diesel at boiling point
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图 9 PODE柴油液滴在沸点温度时归一化直径平方变化
Figure 9. Droplet normalized diameter squared change of PODE-diesel at boiling point
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图 10 PODE柴油液滴在沸点温度时微爆表征参数
Figure 10. Droplet micro-explosion characterization parameters of PODE-diesel at boiling point
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图 11 ADN液滴在沸点温度时蒸发形态变化
Figure 11. Morphological changes during droplet evaporation of ADN at boiling point
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图 12 ADN液滴在沸点温度时归一化直径平方变化
Figure 12. Droplet normalized diameter squared change of ADN at boiling point
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图 13 ADN液滴在沸点温度时微爆表征参数
Figure 13. Droplet micro-explosion characterization parameters of ADN at boiling point
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图 14 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化
Figure 14. Morphological changes during droplet evaporation of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature
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图 15 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化
Figure 15. Droplet normalized diameter squared change of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature
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图 16 乙醇生物柴油液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数
Figure 16. Droplet micro-explosion characterization parameters of ethanol biodiesel at Leidenfrost temperature
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图 17 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化
Figure 17. Morphological changes during droplet evaporation of PODE-diesel at Leidenfrost temperature
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图 18 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化
Figure 18. Droplet normalized diameter squared change of PODE-diesel at Leidenfrost temperature
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图 19 PODE柴油液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数
Figure 19. Droplet micro-explosion characterization parameters of PODE-diesel at Leidenfrost temperature
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图 20 ADN液滴在Leidenfrost温度时蒸发形态变化
Figure 20. Morphological changes during droplet evaporation of ADN at Leidenfrost temperature
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图 21 ADN液滴在Leidenfrost温度时归一化直径平方变化
Figure 21. Droplet normalized diameter squared change of ADN at Leidenfrost temperature
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图 22 ADN液滴在Leidenfrost温度时微爆表征参数
Figure 22. Droplet micro-explosion characterization parameters of ADN at Leidenfrost temperature
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图 23 3种液滴在沸点温度和Leidenfrost温度下微爆表征参数
Figure 23. Characterization parameters of micro-explosion of three types of droplets at boiling point temperature and leidenfrost temperature
表 1 不同液体的物性参数
Table 1 Physical properties of different liquids
Experimental
liquidDensity/
(g·mL−1)Viscosity/
(mPa·s)Boiling
point/°CSurface tension/
(mN·m−1)anhydrous ethanol 0.785 1.003 78 21.2 biodiesel 0.88 6.24 325 ~ 350 30.3 PODE 0.99 ~ 1.10 0.81 ~ 2.93 105 ~ 320 28.8 ~ 32.6 diesel 0.83 ~ 0.86 2.49 ~ 4.52 180 ~ 370 26.8 ADN 1.29 4.60 127 44.7 
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