0 引言
由于纳米流体领域跨学科技术的快速发展以及对高能量密度能源的需求,不少研究人员将目光放在了新型纳米流体燃料上[4,5,6,7]。SARVESTANY等[8]对比了柴油和柴油纳米流体燃料添加到柴油发动机后的排放情况,发现在柴油发动机中使用纳米流体燃料产生的氮氧化物和二氧化硫更少。JAVED等[9]研究了添加Al纳米粒子的正庚烷液滴在100 ~ 600℃下的蒸发特性,结果表明在100 ~ 400℃的低温环境下,加入Al纳米粒子会减小正庚烷液滴的蒸发率,但是在400 ~ 600℃的高温环境下,Al纳米粒子的加入在蒸发过程中形成了多孔壳,促进了液滴的蒸发。以上研究还得出Al纳米粒子抑制了正庚烷中气泡形成的结论,然而该结论与MIGLANI等[10]得出的结论是矛盾的。JAVED等[11]还做了一个互补性的试验,研究了Al纳米粒子和煤油的自燃和燃烧特性,结果显示添加了Al纳米粒子的煤油和纯煤油在自动点火的延迟时间上都服从阿伦尼斯温度依赖性。
由于麻疯树油的黏度高,不适合直接使用,需经过酯化反应生成麻疯树甲酯降低黏度后使用[14]。本实验将四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子混合在质量分数为70%的麻疯树甲酯和30%的乙醇混合物（J70E30）中,研究在873 K和973 K的温度下,不同浓度的Fe3O4纳米粒子对J70E30液滴蒸发特性的影响。
1 实验装置和方法
1.1 燃料制备
制备纳米流体燃油的方法主要有物理方法和化学方法。由于本实验燃料需要通过酯化反应得到,故采用化学方法来制备纳米流体燃油。首先将麻疯树籽去皮,用榨油机榨取麻疯树原油,用甲醇在浓硫酸的作用下预酯化处理麻疯树原油,得到麻疯树甲酯。然后根据质量比7∶3配制麻疯树甲酯和乙醇混合的基油（J70E30）,在基油中分别加入质量浓度为2%的表面活性剂（Span80）和质量浓度为0.25%、1%、2%的Fe3O4纳米粒子,得到不同配制比例的混合燃油。为了让纳米流体燃料混合均匀,配制好的混合燃油需要放置在超声波振荡器中以40 kHz的频率震荡1 h。本次采用的化学制备方法可以使纳米流体燃油的稳定性至少维持3天。
1.2 实验仪器与过程
图1为单液滴蒸发实验装置示意图。从图中可知该实验台主要由加热系统、液滴输送系统和数据采集系统三部分组成。
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup图1 实验装置示意图 |
加热系统由加热室、热电偶、电热丝和温度控制器组成（红色虚线框）,加热室由不锈钢制成。加热炉配有前后对称的石英玻璃观察窗,用于相机的拍摄和光源照明。加热杆安装在加热室底部,总功率为3 000 W,最大调节温度可达1 000 K。加热室的温度由温度调节器控制,在实验期间温度保持稳定,并在允许的调整误差范围内（±5 K）。
液滴输送系统主要包括步进电机、步进电机控制器、悬架、微量调节注射器和石英玻璃灯丝（蓝色虚线框）。首先使用1 μL的微量调节注射器将燃料液滴悬挂在石英玻璃丝上,然后控制步进电机将悬挂的燃料液滴快速垂直移动到指定拍摄位置。液滴的运动距离约为190 mm,传送速度约为300 mm/s,能在0.3 s内完成液滴向加热炉内传送的动作,对液滴蒸发过程的影响极小,可忽略不计。
数据采集系统包含一台计算机、一台高速摄像机和一盏LED灯（绿色虚线框）。可以通过调节光源来提高相机的曝光亮度,确保分辨率为1 024×1 024像素的高速摄像机能够记录清晰和完整的蒸发过程。当步进电机开始自动进给时,打开高速摄像机并以500 f/s的拍摄速度记录液滴的蒸发过程,记录下的图像数据传输到计算机中进行存储。
1.3 图像处理方法
图2为液滴的图像处理过程。首先用HALCON软件提取液滴的像素。然后用缩减域运算符提取需要的区域（region of interest, ROI）。相机使用单个通道捕获图像,因此无需进行灰度转换。根据前背景灰度的差异,通过灰度直方图来提取前景部分并进行阈值分割。由于液滴大约是圆形的,因此图像通过HALCON打开操作进行处理。首先,通过圆形结构元件蚀刻并扩大所提取的前景部分的形状,并根据石英线的粗细设定圆形结构元件的直径,可以较好地去除周围的石英线部分。当考虑液滴的膨胀时,在液滴内部产生的白色气泡易于在阈值划分时被捕捉到。然后对图像进行二值化,使用填充运算符填充前景ROI区域,最后用区域中心运算符提取并获得液滴的面积。提取面积后根据石英线的直径可以计算出液滴的投影当量面积,经过形态学处理后液滴直径的不确定度可以降低到4.35%[15,16],极大减少了计算投影面积的误差。确定液滴直径的误差后,就可以利用初始液滴直径（d0）对液滴直径（d）和液滴蒸发时间（t）进行归一化处理。
Fig. 2 Schematic diagram of droplet image processing图2 液滴图像处理示意图 |
2 结果与讨论
2.1 添加表面活性剂后J70E30液滴的蒸发特性
实验首先考察在J70E30液滴中添加表面活性剂后的蒸发特性,可为之后的实验提供一个空白对照,以比较添加纳米粒子后对燃油液滴蒸发行为的影响。图3为纯J70E30和添加2%表面活性剂的燃料液滴在873 K和973 K处的归一化平方直径曲线。如图3a所示,添加2%表面活性剂的燃料液滴归一化平方直径曲线图与纯燃料液滴基本相似。图3b中,添加2%表面活性剂的燃料液滴在波动蒸发阶段发生明显的微爆炸,这是由于随着温度的升高,J70E30混合液滴吸收了更多热量,液滴膨胀加剧,反应剧烈。还可以发现在平衡蒸发阶段添加表面活性剂与不添加表面活性剂的归一化平方直径曲线基本趋势无异。此外,添加表面活性剂后液滴的蒸发寿命变长,这是由于表面活性剂的挥发性比J70E30要低,在液滴蒸发过程中会在液滴的表面形成阻碍液滴蒸发的薄膜,从而使蒸发速率降低。为了比较含2%表面活性剂的J70E30液滴与纯J70E30液滴的蒸发特性,重复了三次实验。最终得出,导致液滴归一化平方直径存在差异的原因是由于液滴微爆炸现象的发生。综上所述,添加表面活性剂对J70E30液滴的蒸发影响不大。
Fig. 3 Normalized square diameter curves for droplets of J70E30 with and without surfactant at different temperatures: (a) 873 K; (b) 973 K图3 添加和未添加表面活性剂的J70E30燃料液滴在不同温度下的归一化平方直径曲线：（a）873 K;（b）973 K |
2.2 纳米流体燃料液滴的蒸发特性
Fig. 4 Normalized square diameter curve of nanofluid fuels at different temperatures: (a) 873 K; (b) 973 K图4 纳米流体燃料在不同温度下的归一化平方直径曲线：（a）873 K;（b）973 K |
从图4a可知,在873 K环境温度下,3种不同浓度的纳米粒子燃料液滴在瞬态加热阶段的曲线有明显的不同,但在平衡蒸发阶段曲线大致相同。在瞬态加热阶段,含0.25% Fe3O4纳米粒子的液滴膨胀幅度最大,发生微爆现象比其他浓度都要强烈,其归一化平方直径最大约为1.8。含2%纳米流体最高浓度的燃料液滴并没有膨胀,而是在缩小。在平衡蒸发阶段,纯J70E30和3个不同纳米粒子浓度的曲线基本都遵守d2定律。由此可见,在燃料中增加适量的纳米粒子可以缩短燃料液滴的寿命,促进蒸发进程。
纯燃油液滴J70E30在瞬态加热阶段的膨胀幅度仅小于含0.25% Fe3O4纳米粒子的燃油液滴,膨胀幅度缩小20%。当浓度变大时,微爆炸明显被抑制。由此可见,在873 K温度下,添加少量的纳米粒子增强了微爆的程度。在平衡蒸发阶段,各曲线变化趋势几近相同。
由图4b可知纳米流体燃料在973 K时的蒸发特性与873 K保持一致,分为瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段。图中可以看到曲线的抖动较大,含1% Fe3O4纳米粒子的燃油液滴在波动蒸发阶段有明显的微爆现象,归一化平方直径有1.39。含有0.25%、1%和2% Fe3O4纳米粒子的燃料液滴在瞬态加热阶段和波动蒸发阶段相似,都有较强的波动性,在平衡蒸发阶段都符合经典d2定律。
图5为不同浓度的纳米流体燃料在873 K和973 K时的蒸发时间对比图。由图5a明显看出,在瞬态加热阶段和波动蒸发阶段,随着粒子浓度的增加,液滴蒸发时间先变长再变短,含1% Fe3O4纳米粒子的燃油液滴所用时间最长（t/d02 = 1.674 s/mm2）,2% Fe3O4所用时间最短（t/d02 = 0.17 s/mm2）,相当于缩短了84.5%。在平衡蒸发阶段,对于含Fe3O4浓度分别为0%、0.25%、1%、2%的燃料,时间分别用了3.64 s、2.48 s、2 s、3.03 s,很明显不含Fe3O4纳米粒子的燃油液滴所用时间最长（t/d02 = 3.64 s/mm2）,而含1% Fe3O4的燃料最短时间（t/d02 = 2 s/mm2）,缩短了45.05%。含0.25%和2% Fe3O4的纳米流体燃料介于两者之间。
Fig. 5 Comparison of evaporation time of nanofluid fuel droplets with different concentration: (a) 873 K; (b) 973 K图5 不同浓度的纳米流体燃料液滴蒸发时间的比较：（a）873 K;（b）973 K |
由图5b可知,在973 K时,在瞬态加热阶段和波动蒸发阶段,含1% Fe3O4纳米粒子的燃油液滴蒸发时间最长,在平衡蒸发阶段,含1% Fe3O4纳米粒子的燃油液滴蒸发时间最短。
Fig. 6 Equivalent evaporation rates of fuel droplets with different concentrations of nanoparticles: (a) 873 K; (b) 973 K图6 不同浓度纳米粒子燃料液滴的等效蒸发速率：（a）873 K;（b）973 K |
如图6b所示,在973 K时,在瞬态加热和波动蒸发阶段,不含Fe3O4的液滴蒸发速率最慢,含有0.25%、1%、2% Fe3O4的燃油液滴蒸发速度都比较快,分别为0.339 mm2/s、0.034 mm2/s,0.407 mm2/s,整体呈现先下降后上升的趋势。在平衡蒸发阶段,Fe3O4浓度低于1%时,随着浓度的增加燃料液滴蒸发速率提高,浓度高于1%时,随着浓度的增加蒸发速率在降低,显然除了1% Fe3O4的蒸发速率要高于纯燃油液滴,其他浓度的蒸发速率都要低于纯燃料液滴。综上所述,在973 K温度下,添加纳米粒子会导致液滴整体蒸发速率提高,使得液滴的寿命变短,在纳米粒子浓度为1%时效果最显著。
3 结论
研究了在873 K和973 K温度下,含不同浓度Fe3O4纳米粒子的纳米流体燃料液滴在正常重力作用下的蒸发特性。得出以下结论：
（1）除Fe3O4纳米粒子浓度为2%的燃料液滴在973 K时缺少波动蒸发阶段,其余在873 K和973 K温度下具有相同的蒸发行为,都为瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段三个阶段。
（2）温度和纳米粒子均能影响J70E30燃油液滴的寿命,但温度对J70E30燃油液滴的寿命的影响要大于纳米粒子对液滴寿命的影响。
（3）在873 K时,含0.25%的Fe3O4纳米流体燃料液滴为最优组分;在973 K时,含1%的Fe3O4纳米流体燃料液滴为最优组分。
