0 引言
随着科学技术的快速发展,动力装置微型化逐渐成为发展趋势,微小型动力装置成为研究热点。与化学电池供能装置相比,微小型动力装置具有能量密度高、反应速度快等特点,而且能够实现高燃烧效率,燃烧过程中的能量损失和环境污染较少[1,2]。微小型动力装置在航空航天和民用方面发展较快,如卫星保持轨道需要较小推力和较高比冲的微型卫星推进器,基于电池的推进系统无法提供高比冲,因此高效的卫星推进装置需要微小型动力装置[3,4]。锂离子电池、微型燃料电池、微型发动机能量密度对比表明,碳氢燃料相比于锂离子电池具有更高的能量密度,是锂离子电池的上百倍[5],使用碳氢燃料的微小型动力装置可解决充电电池储能少、体积大、能量密度低等问题,因此许多国家都在研究基于碳氢燃料的具有高能量密度的微小型动力装置。
航空煤油是一种常见的液体碳氢燃料,相比于汽油和柴油具有更高的能量密度、更稳定的燃烧特性,但是存在黏度高、雾化效果差等缺点。乙醇是一种来源广泛、清洁、低碳的可再生生物燃料,与化石燃料相比,其环保性和性价比很高。目前,针对乙醇燃料的研究主要集中于乙醇掺混汽油或柴油燃料对内燃机燃烧、污染物排放的影响研究[6]。
荷电雾化是指液体带上电荷,在静电力作用下使液体破碎成更小尺度液滴的一种雾化方式,被广泛应用于喷雾制药、喷雾制膜、静电喷涂、喷雾燃烧等领域[7,8,9]。与传统雾化方式相比,荷电雾化的雾化效果更好,更可控,有助于燃料雾化技术的改进与发展,具有重要的实践意义。LORD RAYLEIGH[10]研究推导发现单个液滴所带电荷量达到一个临界值时,液滴因电荷之间的斥力而破碎,该临界值称为瑞利极限。TAYLOR[11]提出液体在强电场作用下呈锥形,即在一定角度下锥形液面满足平衡条件,后来被称为泰勒锥。GAÑÁN-CALVO[12]对荷电喷雾进行了数值模拟研究,利用拉格朗日模型求解带电液滴的动量方程,揭示了喷雾液滴群的一些空间和统计学特性,得出了锥射流的解析解。这些研究为荷电雾化奠定了理论基础。近年来,荷电雾化技术逐渐被应用于燃料雾化研究。王贞涛等[13]设计了一种针-环状组合电极,进行荷电雾化特性的研究。结果表明,在高压荷电作用下,液体表面张力和黏滞阻力明显减小,同时使雾滴带电,在电荷之间斥力作用下,能够破碎成更小的液滴,弥散程度加大。张伟[14]对航空煤油在毛细管口的静电雾化模式进行了分析,对比了施加电压前后航空煤油的状态,以及去离子水、无水乙醇和航空煤油三种液体在不同电压下的雾化模式,得到了能够使航空煤油获得最佳雾化效果的流量以及电压状态。GAN等[15]使用凹形曲面接地电极对乙醇燃料进行了荷电雾化实验,结果表明接地电极曲率半径为50 mm时,雾化效果最好。江旭丽等[16]研究了不同掺混比例的乙醇/生物柴油混合燃料静电雾化特性,结果表明,燃料中掺混乙醇的比例越高,掺混燃料的静电韦伯数就越大,雾化效果就越好,并推导出带电液滴的破碎条件,验证了燃料液滴雾化破碎时的临界静电韦伯数。
国内外对燃料荷电雾化特性的研究日渐增多,但是基于航空煤油荷电雾化的微小型动力装置研究仍然较少。航空煤油中掺混乙醇后能够改善燃油雾化性能并减少污染物排放,因此基于航空煤油/乙醇混合燃料荷电雾化的微小尺度动力装置具有较重要的研究意义。本文搭建了航空煤油/乙醇混合燃料荷电喷雾系统,研究不同荷电电压下航空煤油/乙醇混合燃料的荷电雾化模式,考察乙醇掺混比例、燃料流量、喷嘴直径对燃料荷电雾化特性的影响,以期为微小型动力装置液体燃料荷电雾化技术的应用提供基础数据。
1 试验装置及原理
1.1 试验装置及试验燃料
图1为航空煤油/乙醇混合燃料荷电雾化试验装置,主要包括微量注射泵、高压直流电源、数码相机、不锈钢喷嘴、激光灯等。微量注射泵与不锈钢喷嘴用软管连接,通过不锈钢喷嘴喷出燃料,微量注射泵用于控制燃料流量,不锈钢喷嘴参数见表1。试验中除考察喷孔直径对荷电雾化的影响时采用了1号、2号、3号和4号喷嘴,其余工况均采用2号喷嘴。在绝缘支架上垂直放置不锈钢喷嘴与紫铜金属圆片,高压直流电源正极接不锈钢喷嘴,负极接紫铜金属圆片并接地,与不锈钢喷嘴之间形成雾化区域,燃油通过不锈钢喷嘴时带上同种电荷,在静电力的作用下发生破碎变成粒径较小雾滴,并定向移动至紫铜金属圆片接地电极。使用绿色激光作为氛围光源,单反数码相机拍摄雾化图像,并使用图像处理软件对荷电雾化图像进行处理。
Fig. 1 Schematic of the experimental system图1 试验系统示意图 |
Table 1 Nozzle parameters表1 喷嘴参数 |
| 喷嘴编号 | 喷嘴内径/mm |
|---|---|
| 1号 | 1.05 |
| 2号 | 0.72 |
| 3号 | 0.50 |
| 4号 | 0.30 |
使用航空煤油和乙醇作为试验材料,燃料物性参数见表2。在室温条件下,将航空煤油与无水乙醇混合,并充分搅拌均匀,配制乙醇体积分数分别为0%、10%、30%、50%的航空煤油/乙醇混合燃料,分别记为E0、E10、E30、E50。
Table 2 Physical parameters of fuels表2 燃料物性参数 |
| 燃料 | 密度/ (g/cm3) | 运动黏度/ (mPa∙s) | 相对介电常数 | 表面张力/ (N/m) | 电导率/ (S/m) |
|---|---|---|---|---|---|
| 无水乙醇 | 0.79 | 1.20 | 24.6 | 0.022 | 1.35 × 10-9 |
| 航空煤油 | 0.81 | 2.00 ~ 3.50 | 1.7 | 0.023 | 3.00 × 10-10 |
1.2 雾化参数
评价燃料雾化效果的宏观参数主要包括雾化锥角、雾化贯穿距等,图2为雾化参数示意图。根据燃料雾化模式分析,锥射流雾化模式是较为稳定的荷电雾化模式,针对燃料E0、E10、E30、E50,选取不同的荷电电压,使其处于稳定的锥射流雾化模式,测量稳定雾化状态下的雾化锥角α,并使用ImajeJ软件对雾化图像进行处理。由于在实验过程中固定了不锈钢喷嘴与接地电极的距离,雾化贯穿距h在雾化图像中是一致的,因此本文采用雾化锥角来评价航空煤油/乙醇混合燃料荷电雾化效果。
Fig. 2 Atomization parameters diagram图2 雾化参数示意图 |
1.3 实验原理
实验中,燃料通过不锈钢喷嘴时接触带电喷出,在此过程中,液滴的表面张力与电场力之间的相互作用使喷嘴处的液滴形状趋于锥形,在液滴的尖端处形成一个极端尖锐的锥形结构,这个锥形结构称为泰勒锥。泰勒锥的形成使得离子在电场中聚集到锥形结构周围。由于泰勒锥末端的尖锐形状使其能够集中大量的同种电荷,使得液体在尖端处静电库仑力克服液体表面张力形成直径较小的分散雾滴。液滴破碎过程主要受到液体表面张力作用,将单个液滴等效为球状模型,忽略重力影响,液滴呈收缩趋势,并且液滴内外产生压差,液滴内部电荷之间产生相互作用力,对带电液滴进行受力分析,计算可以得到单个液滴保持稳定状态时的最大电荷量,被称为瑞利极限。单个液滴带电荷极限值Qm的计算公式如下：
$Q_{\mathrm{m}}=8 \pi \sqrt{\varepsilon \sigma r^{3}}$
式中：ε为真空介电常数;σ为表面张力;r为液滴半径。
单个液滴所带的电荷量高于Qm时,液滴发生破裂;低于Qm时,液滴处于稳定状态。由于液滴带电荷极限值Qm与液滴半径r成正比,因此,液滴半径越小,液滴破碎所需要的电荷量越小,在雾化电场中取得的雾化效果越好。
2 试验结果与分析
2.1 不同燃料的荷电雾化模式
纯航空煤油E0燃料的导电能力较弱,黏度较大,流动性差,因此其荷电雾化效果较差。图3为燃料流量保持定值时,不同荷电电压下E0燃料稳定滴落状态时的图像。图中可见,E0燃料在0 ~ 10 kV荷电电压范围,燃料主要呈液滴状,未出现明显雾化;随着荷电电压的增加,液滴形状发生变化,最终变为纺锤形状。
Fig. 3 Atomization images of E0 fuel under different charged voltages图3 不同荷电电压下E0燃料的雾化图像 |
对于航空煤油/乙醇混合燃料E10、E30、E50,燃料流量保持为一定值,在0 ~ 10 kV内,随着荷电电压的增加,三种混合燃料的雾化性能均逐渐改善,先后出现滴状、脉冲射流、锥射流、偏射流、多股锥射流等不同的雾化模式,结果如图4所示。其中液滴模式由液滴状变为微液滴状。
Fig. 4 Charged atomization modes: (a) droplet mode; (b) pulsed-jet mode; (c) cone-jet mode; (d) deflected-jet mode; (e) multi-jet mode图4 荷电雾化模式：（a）液滴模式;（b）脉冲射流模式;（c）锥射流模式;（d）偏射流模式;（e）多股射流模式 |
进一步确定混合燃料E10、E30、E50从液滴模式转变为脉冲射流、锥射流、偏射流、多股射流雾化模式所需的临界荷电电压,结果如图5所示。微量注射泵流量保持为0.10 mL/min,电极间距离为30 mm。图中可见,随着乙醇掺混比例的增加,E10、E30、E50的雾化模式转变所需的临界电压逐渐减小。
Fig. 5 Critical charged voltage of atomization modes transition图5 雾化模式转变临界电压 |
对于混合燃料E10而言,在0 ~ 4.2 kV电压范围内,混合燃料呈液滴模式,随着荷电电压的增加,液滴逐渐变小,呈微液滴,在4.2 kV转变为脉冲射流模式。在4.2 ~ 5.7 kV电压范围内,混合燃料E10以一定的频率呈连贯的脉冲射流模式,且在射流周围雾化不明显。在5.7 ~ 7.5 kV电压范围内,混合燃料E10呈较为稳定的锥射流模式。在7.5 ~ 8.5 kV电压范围内,呈不稳定的偏射流模式,由于其状态不稳定,在接近8.5 kV时偏射流模式与锥射流、多股射流模式随机无序交替出现。在8.5 ~ 10 kV电压范围内,混合燃料E10呈多股射流模式。
对于混合燃料E30而言,4 kV以下燃料呈液滴模式。随着荷电电压的逐渐增加,在4 kV时由液滴模式变为脉冲射流模式,且在4.8 kV时脉冲射流周围明显雾化。在5.3 ~ 7.2 kV电压范围内,出现较稳定的锥状雾化模式;在7.2 ~ 8.3 kV电压范围内,燃料呈不稳定的偏射流雾化模式;在8.3 ~ 10 kV电压范围内,燃料出现多股射流模式。
对于混合燃料E50而言,3.9 kV以下燃料呈液滴模式。随着荷电电压的逐渐增加,在3.9 kV附近,混合燃料由液滴模式转变为脉冲射流模式,射流周围雾化不明显,在4.3 kV射流周围雾化效果明显。在5.0 ~ 6.8 kV电压范围内,燃料呈稳定的锥射流模式;在6.8 ~ 8.2 kV电压范围内,燃料出现不稳定的偏射流模式;在8.2 ~ 10 kV电压范围内,燃料出现稳定的多股射流模式。
2.2 不同因素对荷电雾化特性的影响
2.2.1 掺混比例对荷电雾化特性的影响
本节考察不同掺混比例对航空煤油/乙醇混合燃料荷电雾化性能的影响规律。由实验可知,E10、E30、E50三种混合燃料在6.0 ~ 7.0 kV电压范围内均处于稳定的锥状雾化模式,因此荷电电压范围选取6.0 ~ 7.0 kV,微量注射泵流量为0.10 mL/min,电极间距离为30 mm。对E0、E10、E30、E50四种燃料进行荷电雾化试验,四种燃料在不同荷电电压下的雾化锥角变化趋势如图6所示。图中可见,对于E0燃料,在6.0 ~ 7.0 kV范围内,随着荷电电压的增加,燃料均未雾化,只是从液滴形状变化为纺锤形液滴,从喷嘴处以一定频率滴落。对于E10、E30、E50三种混合燃料,在6.0 ~ 7.0 kV电压范围内,燃料呈稳定锥状雾化模式时,三种燃料的平均雾化锥角分别为39.79°、49.41°、66.52°,均显著大于E0燃料的雾化锥角。随着乙醇掺混比例的增加,E10、E30、E50的雾化锥角逐渐增加,掺混乙醇能够有效改善航空煤油的荷电雾化性能,且掺混比例越高,荷电雾化效果越好。这是由于航空煤油黏度大,导电能力差,乙醇与航空煤油的掺混改变了混合燃料的物理特性,两者混合后能够改善航空煤油的流动性和导电能力,因此,随着乙醇掺混比例的增加,混合燃料的导电能力和流动性逐渐改善,荷电雾化效果越好。
Fig. 6 Charged atomization cone angle of fuels with different blending ratios图6 不同掺混比例燃料荷电雾化锥角 |
2.2.2 燃料流量对荷电雾化特性的影响
选取雾化效果最好的E50燃料,在6.0 ~ 7.0 kV荷电电压范围,电极间距离40 mm,微量注射泵流量分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mL/min时,考察燃料流量对荷电雾化特性的影响规律。不同流量下燃料的雾化锥角变化趋势如图7所示,图中可见,E50燃料在五种流量下的平均雾化锥角分别为66.18°、87.95°、92.67°、103.60°β和110.62°,随着燃料流量的增加,荷电喷雾的雾化锥角逐渐增大。在6.0 ~ 7.0 kV荷电电压范围,无论在小流量0.05 mL/min下,还是在大流量0.25 mL/min下,E50燃料的雾化模式一致,均呈稳定的锥射流模式,流量对雾化模式无影响,但是较小流量下的雾化锥角较小,雾化区域较小。由于混合燃料的流量是由微量注射泵控制,当喷嘴直径不变时,随着流量的增加,喷射压力逐渐增加,传统雾化实验中喷射压力的增加能够有效改善雾化效果,同时在荷电作用下小液滴所带电荷量超过瑞利极限时会再次发生破碎,对燃料雾化改善效果更明显。
Fig. 7 Charged atomization cone angles of E50 fuel at different flow rates图7 E50燃料在不同流量下的荷电雾化锥角 |
2.2.3 喷嘴直径对荷电雾化特性的影响
流量一定时,小孔径喷嘴的喷射压力大,雾化效果好,但电极间激发电场下喷嘴直径对荷电雾化特性的影响尚不明确,因此本节分别采用1.05、0.72、0.50和0.30 mm四种直径的不锈钢喷嘴进行荷电雾化实验。试验燃料选取雾化效果较好的E50燃料,固定电极间距为40 mm,控制流量为0.10 mL/min,试验结果如图8所示。图中可见,在6.0 ~ 7.0 kV电压范围内,采用四种直径的不锈钢喷嘴均完全雾化,雾化锥角变化不大,均在89° 左右,四种直径的不锈钢喷嘴所对应的平均雾化锥角分别为90.89°、87.95°、88.83°、88.01°。由此可知,在电极间激发电场下,燃料荷电雾化性能良好,虽然小孔径喷嘴的喷雾特性好,但是喷嘴直径的改变没有对燃料荷电雾化锥角产生明显的影响。这可能是由于喷嘴直径从1.05 mm减小为0.30 mm时,喷射压力增加,但同时也改变了荷电雾化激发空间的电场分布,综合效果是混合燃料的荷电雾化锥角未发生明显变化。
Fig. 8 Charged atomization cone angle of E50 fuel at different nozzle diameters图8 E50燃料在不同直径喷嘴下的荷电雾化锥角 |
3 结论
分析了E0、E10、E30、E50四种航空煤油/乙醇混合燃料荷电雾化特性,研究了不同荷电电压下航空煤油/乙醇混合燃料出现的荷电雾化模式,考察了乙醇掺混比例、燃料流量、喷嘴孔径对荷电雾化特性的影响。主要结论如下：
（1）在0 ~ 10 kV荷电电压范围,E0燃料主要呈液滴模式。随着荷电电压的增加,E0燃料由液滴状变为纺锤状;E10、E30、E50的雾化性能均逐渐改善,三种燃料均先后出现液滴、脉冲射流、锥射流、偏射流、多股锥射流等不同的雾化模式,其中液滴模式由液滴状变为微液滴状。随着乙醇掺混比例的增加,E10、E30、E50的雾化模式转变所需的临界电压逐渐减小。
（2）在6.0 ~ 7.0 kV范围内,对于E0燃料,随着荷电电压的增加,燃料从液滴形状变化为纺锤形,从喷嘴处以一定频率滴落。对于E10、E30、E50三种混合燃料,燃料呈稳定锥状雾化模式时,随着乙醇掺混比例的增加,E10、E30、E50的雾化锥角逐渐增大,掺混乙醇能够有效改善航空煤油的荷电雾化性能,且掺混比例越高,荷电雾化效果越好。
（3）随着燃料流量的增加,荷电喷雾的雾化锥角逐渐增大,雾化模式转变的临界电压逐渐增加。在6.0 ~ 7.0 kV荷电电压范围,无论流量大小,E50燃料的雾化模式均呈稳定的锥射流模式,流量对雾化模式无影响,但是较低流量下的雾化锥角较小。
（4）在电极间激发电场下,燃料荷电雾化性能良好,喷嘴直径从1.05 mm减小为0.30 mm时,雾化锥角变化不明显。
