亚/跨临界状态下不同组分燃油液滴蒸发特性分析

唐纯逸，李瑞娜，刘 帅，王 忠，李立琳

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

随着柴油机增压技术、高压喷射技术的应用，柴油机缸内温度大幅提高，燃料蒸发环境发生了很大变化.此外，燃油组分对液滴蒸发特性也有很大影响.

一般认为，当物质的压力和温度同时超过临界压力和临界温度的状态称为超临界状态.在现实过程中，有温度或压力二者之一超过临界点的状态，这种状态可以称为跨临界状态[1-2].燃油液滴在亚临界、跨临界状态下的特性截然不同.跨临界状态时，表面张力与蒸发潜热开始消失，气相和液相之间变得模糊[3].

国内外学者对燃油液滴不同状态的蒸发过程、蒸发特性进行了研究.N.HASHIMOTO等[4]研究了亚临界状态下，棕榈甲酯(PME)、柴油、十六烷液滴的蒸发特性，结果表明：随着温度的升高，所有燃料的初始加热时间均减少，平均蒸发系数增加.由于组分沸点更高，PME的初始加热时间最长，液滴寿命最大.K.SAHA等[5]建立了柴油-生物柴油混合的液滴蒸发模型，研究了液滴在亚临界环境中的蒸发特性，结果表明：液相扩散是混合液滴蒸发速率的主要影响因素，柴油含量更高的混合液滴内部更容易产生气泡.H.KIM等[6]研究了跨临界条件下，水/正癸烷液滴的蒸发特性，结果表明：乳化液滴的蒸发过程分为加热、膨胀和平稳蒸发阶段，在平稳蒸发阶段液滴的蒸发速率仅受环境温度影响，不受环境压力影响.王宏楠等[7]研究了超临界环境条件下液滴蒸发特性，结果表明：超临界状态时，温度越高液滴的蒸发寿命越短，液滴表面发生从亚临界状态转变为超临界状态的迁移时刻越早.R.L.MATLOSZ等[8]、H.HIROYASU等[9]在超临界环境下，用悬滴法分别研究了正己烷与正庚烷液滴的蒸发规律，发现随着液滴所处环境压力的升高将不再严格满足直径平方(d2)定律.H.NOMURA等[10]研究了亚/超临界条件下，正十六烷的蒸发特性，结果表明：蒸发速率随环境压力线性增加，在环境压力为1.5 MPa(略高于临界压力)时达到最大值，然后线性下降.国内外针对亚/超临界液滴蒸发进行的研究较多，而跨临界液滴蒸发有待进一步研究.

为了得到亚/跨临界不同组分燃油液滴的蒸发过程、蒸发特性，笔者针对不同燃油的临界温度，搭建高温定容液滴蒸发测量装置，选择单组分的正十二烷(C12H26)、正十四烷(C14H30)与多组分的柴油(D)、生物柴油(BD)，测量这些燃油的液滴直径、液滴蒸发速率等参数，分析4种不同组分液滴的蒸发过程、蒸发特性.

1 试验装置与数据处理

为研究跨临界状态时不同组分燃油液滴的蒸发规律，搭建高温定容液滴蒸发测量装置，采用悬滴法、高速摄影和图片测量技术，测量并分析不同组分燃油的液滴蒸发阶段、液滴寿命、液滴直径和液滴蒸发速率随温度、时间的变化规律.此外，针对图像处理中可能出现的误差进行修正.

1.1 试验装置与方案

高温定容液滴蒸发装置原理及实物分别如图1、2所示.

图1 装置原理图

图2 装置实物图

设定目标温度后，利用高温定容弹体内的加热棒进行升温，加热丝加热后温度可达300～1 200 K；蒸发弹体的上部和下部各设有K型热电偶测量弹体内的温度，测量误差为±5 K.使用液滴传送装置中的步进电动机将悬挂液滴的悬挂器下落并穿过弹体上方直径为26 mm的小孔，悬挂器上的挂丝为耐高温的钨丝，直径为100 μm.弹体前后两侧各设置耐高温的铝硅酸盐玻璃，前窗口放置高速相机，后窗口放置LED背光灯，利用高速相机配合LED背光灯，拍摄液滴蒸发过程.采用FASTCAM SA-X2型高速相机，搭配微距镜头(Navitar Zoom6000)采集液滴图像，拍摄频率为1 000 帧·s-1，全分辨率为1 024×1 024，最小曝光时间为1.5 μs.为保护镜头、减小加热过程中热辐射对拍摄效果的影响，使微距镜头到玻璃窗口的距离大于20 cm.

为研究不同临界状态和组分对液滴蒸发过程、蒸发特性的影响，试验选择了C12H26、C14H30、柴油及生物柴油(C18H34O2[11])，烷烃纯度≥99.5%，柴油采用0#柴油，生物柴油为地沟油制备而成.具体理化特性参数如表1所示.

表1 4种燃油理化特性

试验测量温度设定为573、773、973 K，分别代表亚临界状态、接近临界点温度、跨临界状态.文中的亚临界状态指温度压力均小于临界点的状态；跨临界状态均指温度超过临界点，压力小于临界点的状态.

1.2 数据处理与误差修正

高速相机拍摄的照片中，液滴区域呈黑色，而其他区域呈灰色，如图3所示.基于照片中液滴与环境区域的高对比度，使用MATLAB软件进行编程，定义有效区域(ROI)，以减少液滴和挂丝之外的无关区域，对图像进行灰度和二值化，使液滴和背景实现了高区分度，如图4所示.随后结合后期图像处理程序，获取液滴直径的大小.

图3 高速相机拍摄的图像

图4 处理后的图像

在计算液滴直径前需要利用式(1)标定像素点的尺寸，最后将投影面积等效为圆，求出其直径.

a=Di/Ni，

(1)

式中：a为像素点边长；Di为挂丝实际尺寸；Ni为挂丝在图像中的像素点数目.

为提高试验精度，针对试验中可能出现的问题，采取如下几项措施：

1)在计算液滴像素点数时，需先去除挂丝像素点数，采用形态学图像处理方法[12],可以减小直接剪去挂丝所导致的误差.形态学图像处理方法原理如图5所示，采用形态学方法要比直接减去挂丝精确.

图5 形态学图像处理数据原理

2)液滴进入高温环境过程中采用温度保护装置，降低弹体内高温对液滴下落时产生的影响，如图6所示.采用涂有高温隔热涂料的石英管将液滴与环境隔开，避免液滴进入弹体过程中发生蒸发.

图6 液滴温度保护装置

3)液滴初始直径会对液滴蒸发特性造成极大的影响，采用量程1 μL、最小刻度0.05 μL的微量注射器作为液滴生成器.试验中用微注射器产生的液滴初始直径，如图7所示，直径在0.45 mm至0.53 mm的范围内，平均直径为0.50 mm，标准偏差为0.021 mm.为减小误差，通过多次试验取得平均直径，并取最接近该值的5组试验数据进行分析.

图7 试验中液滴初始直径

2 结果与分析

2.1 液滴蒸发过程分析

亚临界液滴瞬时蒸发图像如图8所示，当C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴处于亚临界状态时，均存在吸热膨胀，膨胀时间分别为0.4、0.7、1.2、2.0 s，这是因为液滴蒸发导致的体积减小，小于吸热膨胀导致的体积增大.液滴蒸发经历了初期膨胀后，进入平衡蒸发阶段.C12H26的沸点低，碳链长度短，蒸发时间最短；生物柴油的沸点高，且含有大量的长链脂肪酸，蒸发时间最长.

图8 亚临界(温度为573 K)液滴蒸发图像

跨临界液滴瞬时蒸发图像如图9所示，当C12H26、C14H30、柴油液滴处于跨临界状态时，没有经历明显膨胀阶段，这可能是因为高温使得液滴处于跨临界状态，液滴表面的气液界面开始消失，液滴表面迅速发生从亚临界状态到跨临界状态的迁移，直接产生相变，进入平稳蒸发阶段，这与文献[7]一致.生物柴油临界温度高，液滴吸热导致的体积增大，大于蒸发引起的体积减小，存在膨胀现象.进入弹体后，经过0.3 s的膨胀，液滴直径达到最大，随后进入平稳蒸发阶段，并在1.0 s时再次膨胀.跨临界状态加速了液滴蒸发，促进液滴内部气泡成核与体积增长，导致液滴表面发生破裂，产生气泡.

图9 跨临界(温度为973 K)液滴蒸发图像

对比图8、9后发现：C12H26、C14H30、柴油液滴在亚临界状态时，液滴吸热升温时间较长，液滴存在膨胀阶段，膨胀时间约为整个液滴寿命的5%～10%；C12H26、C14H30、柴油液滴在跨临界状态时，不存在膨胀阶段，与C12H26、C14H30、柴油相比，生物柴油在蒸发过程中会二次膨胀，在跨临界状态下，二次膨胀的时间缩短，能够促进蒸发，缩短液滴寿命.

2.2 液滴直径的变化规律

亚临界蒸发理论认为，液滴蒸发时处于相对稳定状态，液滴内部密度不变，此时液滴直径的平方随时间线性减小，此为d2定律[3].C12H26、C14H30单组分液滴与柴油、生物柴油多组分燃油液滴，在相同压力下液滴直径的平方随温度的变化规律如图10所示,温度的提高可以增加液滴的蒸发速度，在不同临界状态下，单组分燃油蒸发速度总是比多组分燃油的蒸发速度快.当温度为573 K时，C12H26、C14H30液滴直径的平方随时间线性递减；柴油、生物柴油液滴直径的平方不随时间线性变化；当温度为773、973 K时，C12H26、C14H30、柴油液滴直径的平方随时间线性递减，生物柴油液滴直径的平方不随时间线性变化；从接近临界温度，过渡到跨临界状态后，生物柴油的二次膨胀时间缩短了4.5 s.

图10 温度对液滴量纲一直径平方的影响

在亚/跨临界状态，单组分液滴直径的平方均符合d2定律.在亚临界状态，柴油液滴不符合d2定律；在跨临界状态，符合d2定律，主要原因是在亚临界状态，混合燃油中轻质组分蒸发较快，重质组分蒸发较慢；在跨临界状态时，液滴表面可能快速迁移，轻、重质组分同时蒸发，产生相变.在跨临界状态时，生物柴油不符合d2定律，主要原因是生物柴油由不同的油和脂组成[13]，各组分之间的挥发性与黏性差异大，液滴内部气泡成核，蒸发中期液滴内部蒸汽运动剧烈，液滴表面发生破碎，导致二次膨胀现象；从亚临界状态过渡到跨临界状态，C12H26、C14H30、柴油液滴不存在膨胀阶段，生物柴油液滴的二次膨胀时间缩短，导致液滴蒸发速度加快，燃烧效率提高.

2.3 液滴寿命分析

不同温度时的C12H26、C14H30、柴油和生物柴油的液滴寿命如图11所示.

图11 液滴寿命随温度的变化规律

从图11可以看出：温度为573 K，低于临界温度时，4种液滴的寿命分别为4.3、8.0、17.6、22.0 s；温度为773 K，接近临界温度时，4种液滴相对于573 K时，液滴寿命降低了58%、62%、72%、64%；温度为973 K，超过临界点时，4种液滴相对于573 K时，液滴寿命降低了86%、89%、93%、89%.液滴从亚临界状态过渡到跨临界状态后，液滴寿命显著降低；不同组分的液滴，在亚临界状态时液滴寿命间的差值较大，在跨临界状态时液滴寿命间的差值较小.可以认为，提高温度使液滴处于跨临界状态，能够大幅缩短液滴寿命，不同组分燃料液滴寿命之间的差距缩短，在实际发动机中能够显著降低燃油的雾化混合时间，提高燃烧效率.

2.4 液滴蒸发速率分析

根据H.NOMURA等[10]关于液滴蒸发速率的定义，蒸发速率K是液滴直径平方相对于时间t的斜率，即

K=dd2/dt.

(2)

常压下温度对C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴蒸发速率的影响如图12所示.

图12 液滴蒸发速率随温度的变化

从图12可以看出：当温度为573 K时，4种液滴处于亚临界状态，液滴蒸发速率分别为0.25、0.12、0.05、0.03 mm2·s-1；当温度为773 K时，高于C12H26、C14H30、柴油的临界温度，接近生物柴油的临界温度，与573 K时相比，液滴蒸发速率增加了0.31、0.29、0.17、0.13 mm2·s-1；当温度为973 K时，高于4种液滴的临界温度，与573 K时的蒸发速率相比，蒸发速率增加了1.25、1.03、0.71、0.51 mm2·s-1.随着温度的升高，不同燃油液滴蒸发速率均增加.在相同状态下，液滴蒸发速率从大到小的燃油排序为C12H26、C14H30、柴油、生物柴油.说明温度相同时，低沸点燃油的蒸发速率更大.在亚临界状态时，液滴蒸发受传热影响，蒸发速率增幅较小.在跨临界状态时，液滴蒸发受扩散影响，蒸发速率增幅较大.

3 结 论

1)亚临界状态时，C12H26、C14H30、柴油和生物柴油液滴均存在初期膨胀现象，跨临界状态时，正构烷烃与柴油的膨胀现象消失，生物柴油依然存在.与C12H26、C14H30和柴油相比，生物柴油在蒸发过程中会二次膨胀.表明跨临界高温可以促进液滴蒸发、使液滴寿命缩短.

2)单组分燃油液滴处于亚/跨临界状态时，液滴直径的变化符合d2定律；柴油液滴在跨临界状态时，可能发生迁移，直接产生相变，液滴直径的变化符合d2定律；生物柴油在跨临界状态时，由于二次膨胀，液滴直径的变化不符合d2定律.

3)在573 K到973 K的温度范围内，液滴从亚临界状态转变为跨临界状态后，4种不同燃油液滴蒸发速率均增加；在同一状态下，液滴蒸发速率从大到小的燃油排序为C12H26、C14H30、柴油、生物柴油，单组分燃油的蒸发速率高于多组分燃油.