趙建斌，張小卿，徐成佳

(1.上海船舶設備研究所，上海 200030；2.上海交通大學海洋工程國家重點試驗室，上海 200240；3.上海交通大學高新船舶與深海裝備開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

微爆是用來描述兩種以上不同沸點組分的混合液在受熱蒸發(fā)或燃燒過程中出現(xiàn)的劇烈破碎現(xiàn)象，最早由Ivanov提出。相關研究表明，微爆現(xiàn)象的存在有利于促進混合氣的二次霧化，從而改善燃燒與降低排放。因此，微爆現(xiàn)象從提出后就受到了廣泛的關注。Lee和Zeng等通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)微爆可以使噴霧的二次破碎液滴所占的空間更大，從而有利于油氣更充分地混合，進一步改善燃燒。Shinjo等研究指出，由于噴霧射流中發(fā)生多次微爆現(xiàn)象，使得噴霧破碎霧化效果明顯改善。Jeong等利用高溫爐懸掛單列液滴群的試驗裝置對液滴的微爆現(xiàn)象和自著火性能進行了研究。

由于微爆現(xiàn)象的復雜性，對于微爆數(shù)學模型的研究相對較少。到目前為止，幾乎還沒有一個完全通用的數(shù)學模型可以描述不同混合溶液的微爆現(xiàn)象。Avedisian和Glassman早期提出了一個微爆數(shù)學模型，到現(xiàn)在仍然被很多文獻參考應用。Zeng等根據(jù)Avedisian-Glassman數(shù)學模型用數(shù)值分析方法對內(nèi)燃機中多組分燃料的蒸發(fā)過程進行了研究，取得了比較好的研究結(jié)果。但是Li等卻通過試驗觀測研究分析，對上述模型提出了質(zhì)疑，指出模型中關于成核速率的理論值與試驗觀測值相差很大。

另外，生物乙醇作為一種碳中性燃料和可再生能源，被認為在柴油機中作為清潔替代燃料具有巨大的潛力。但是，受產(chǎn)量限制，目前生物乙醇主要與化石能源混合后用于發(fā)動機上。而相關文獻研究指出，提煉獲取含水乙醇比高純度乙醇可以大大節(jié)省成本。但是，由于乙醇具有高親水性，容易導致混合物分層。因此，含水乙醇乳化燃料與柴油進行混合時，需要加入表面活性劑，形成柴油-含水乙醇乳化燃料，研究表明乳化燃料可以較長時間保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，近年來對柴油-含水乙醇乳化燃料的研究越來越多。

盡管如此，關于柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆現(xiàn)象的研究卻相對較少,也沒有一個通用的數(shù)學模型來描述柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆現(xiàn)象。文中利用文獻提出的柴油-含水乙醇微爆數(shù)學模型，進一步用水和含水乙醇的過熱極限進行乳化燃料計算并驗證，同時與試驗觀測結(jié)果進行對比，驗證了模型的可靠性。最后，還對柴油-含水乙醇乳化燃料微爆的一些其他特性進行了研究。

1 微爆數(shù)學模型

根據(jù)Avedisian-Glassman數(shù)學模型，液體分子的成核速率可以表示為：

(1)

式中:為成核速率；

為調(diào)整系數(shù)；

為分子數(shù)密度；

K為玻爾茲曼常數(shù)；

為溫度；

為分子碰撞頻率；

Δ為分子自由能。

根據(jù)文獻提出的分子間作用力模型，分子的能量只有在大于吉布斯自由能和分子勢能之和時，才能掙脫束縛成為活化分子，對應的溫度就是過熱極限，模型可表示如下：

(2)

式中：為分子間勢能；

為環(huán)境壓力；

為飽和蒸汽壓；

為分子數(shù)；

為分子的配位數(shù)；

為有效體積。

然而，由于含水乙醇乳化燃料分子結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對于式(2)所示模型不適應。但是，由于范德華力的能量遠小于氫鍵的能量，因此其活化能可以用式(2)的分子組氫鍵能量之和來表示。對于含水乙醇乳化燃料，水分子可以形成4個氫鍵，乙醇分子可以形成3個氫鍵，總自由能可表示如下：

(3)

式中:為氫鍵鍵能；

為調(diào)整系數(shù)。

將式(3)代入式(1)可以得到修正的數(shù)學模型如下：

(4)

模型的一些具體參數(shù)的計算和選取可以參考文獻[24]。表1列出了水和乙醇的熱力學參數(shù)，如沸點、臨界參數(shù),水和乙醇在飽和狀態(tài)下的熱力學參數(shù)可參考熱力學性質(zhì)表。

表1 水和乙醇的熱力學參數(shù)

2 試驗裝置

文中使用的柴油-含水乙醇乳化燃料是以20%的含水乙醇和 #0柴油為原料，以Span80和正丁醇分別為表面活性劑與乳化劑混合配制而成。含水乙醇乳化燃料的配制工藝流程可以參考文獻[21]。文中HE30表示以30%體積分數(shù)的含水乙醇與柴油混合配制而成的乳化燃料，此命名規(guī)則同樣適合其他含水乙醇乳化燃料，如后面使用到的HE40。表2給出了HE30的含水乙醇乳化燃料各組分含量以及穩(wěn)定時間，更多有關含水乙醇乳化燃料的物化性質(zhì)可以參考文獻[21]。

表2 乳化燃料組分比例及穩(wěn)定性

文中采用掛線法作為液滴發(fā)生裝置，液滴微爆的試驗裝置如圖1所示。采用直徑為0.2 cm的鎳絲作為懸掛線絲，含水乙醇液滴是由一個3 μL的微升注射器產(chǎn)生的，液滴直徑約為1.5 mm。液滴用鎳絲懸掛放置在一個定容加熱容器中，為了形成較為穩(wěn)定均勻的溫度環(huán)境，定容加熱器四周用銅塊進行預熱，使定容加熱器中的溫度維持在120 ℃。試驗開始后，再用熱電偶對液滴進行加熱，直到液滴發(fā)生微爆現(xiàn)象或蒸發(fā)完畢。試驗將對液滴發(fā)生微爆現(xiàn)象時的溫度進行記錄。而液滴的微爆或蒸發(fā)過程用陰影法高速顯微攝影系統(tǒng)進行觀測記錄。其中，相機采用一臺1 000 幀/s的高速CMOS攝像機(NAC HX-6)，配有長距顯微鏡(K2-DistaMax)，試驗光源采用氙燈光源(Newport 500W)。每個測試工況點重復測量5次。

圖1 液滴微爆的試驗裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 微爆溫度邊界條件

根據(jù)微爆原理，當輕質(zhì)組分達到過熱極限溫度時才會發(fā)生微爆，因此求解微爆的溫度邊界條件就是要求解混合液中輕質(zhì)組分的過熱極限。對于柴油-含水乙醇乳化燃料，主要就是要找到含水乙醇的過熱極限。根據(jù)第1節(jié)中提出的微爆數(shù)學模型，分別計算了在常壓下含水乙醇和純水的過熱極限分別為180 ℃和280 ℃，為了驗證模型的正確性和精確性，需要把模型計算結(jié)果與試驗值進行對比。

對于純水，可以查純水的熱力參數(shù)性質(zhì)表得到其理論過熱極限為300.5 ℃，而根據(jù)相關文獻的研究結(jié)果可知其過熱極限為279.5 ℃，如圖2所示。由此可見，此模型跟以往文獻研究結(jié)果非常接近，而跟理論值存在約7%的誤差，這可能跟模型中成核速率和調(diào)整系數(shù)值的選取有關。

為了進一步驗證模型的正確性，文中對柴油-含水乙醇乳化燃料液滴進行了微爆觀測試驗。根據(jù)不同的含水乙醇乳化燃料分別進行觀測試驗，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，試驗測量結(jié)果與模型計算值非常接近，兩者相差不到10 ℃。這主要有兩個方面的原因：①試驗裝置中采用熱電偶來測量液滴溫度，數(shù)據(jù)顯示可能存在一些延遲;②采用了鎳細絲懸掛液滴，可能會使液滴受熱不均而造成局部非均勻成核，從而降低過熱極限。

圖2 水與含水乙醇乳化燃料(HE30)的過熱極限

由此可見，忽略一些試驗條件的影響，由圖2可知模型計算值與試驗值、理論值和文獻參考值相比較，都在誤差可以接受范圍內(nèi)，從而說明此微爆數(shù)學模型對于計算含水乙醇乳化燃料是可行的。

由圖2中的虛線可知，含水乙醇乳化燃料的過熱極限值取決于乳化燃料輕質(zhì)組分的類型，而與乳化燃料中各組分的比例無關。將各試驗工況點的過熱極限觀測值擬合成曲線，由曲線可知乳化燃料中不同比例的含水乙醇對過熱極限影響不大。但是，乳狀液中組分的比例可能會對微爆炸的強度產(chǎn)生影響。

3.2 微爆現(xiàn)象觀測試驗

含水乙醇乳化燃料液滴的蒸發(fā)及微爆現(xiàn)象觀測試驗過程如圖3所示。以HE30為例，整個液滴的蒸發(fā)過程可以分為3個不同階段：第一階段是無水層的形成和成核過程，如圖3(a)所示。在這一階段，可以看到輕質(zhì)組分從液滴外表面迅速逸出。這個過程與微爆不同，此時逃逸出液體表面的是輕質(zhì)組分，而微爆炸裂出的是乳化燃料小油滴，是油滴的一部分。此階段逸出的輕質(zhì)組分形成一個個很小的球體，呈半透明狀懸浮在環(huán)境中。第二階段是膨脹過程，如圖3(b)和圖3(c)所示。在此階段，液滴內(nèi)部的過熱輕質(zhì)組分液滴分子吸附在第一階段形成的氣核上。隨著加熱過程進行，氣泡就不斷地生長，此時氣泡外的液滴也在渦流的擾動下不停運動，使得氣泡的大小和形狀不斷地發(fā)生變化。當擾動值達到臨界值時，液滴就會發(fā)生微爆，這就是蒸發(fā)過程的第三階段，如圖3(d)所示。理論上，液滴溫度在達到輕質(zhì)組分的過熱極限時就會發(fā)生微爆。

圖3 含水乙醇乳化燃料(HE30)液滴蒸發(fā)及微爆現(xiàn)象觀測試驗過程

如圖3所示，試驗過程中觀測到了均勻成核和非均勻成核兩種不同類型的成核過程，它們導致的微爆現(xiàn)象也完全不同。對于均勻成核過程，內(nèi)部氣泡出現(xiàn)在液滴的中心位置，如圖3中的白色實線圓圈。一旦氣泡形成，就會在短時間內(nèi)迅速膨脹，達到過熱極限溫度時，整個液滴突然爆炸成小液滴散開，微爆過程也將結(jié)束。對于當非均勻成核過程，氣泡出現(xiàn)位置不在液滴的中心，如圖3灰色虛線圓圈所示。由于氣泡離液滴表面較近，通常沒有足夠的時間發(fā)展成大氣泡，從而導致局部的膨脹過程。

圖4以HE30和HE40為例，表示均勻成核和非均勻成核兩個不同蒸發(fā)過程的乳化液滴直徑隨蒸發(fā)時間的變化過程，在此以液滴測量直徑與初始直徑比值作為液滴膨脹程度量度?？梢郧逦乜吹?，對于均勻成核過程液滴直徑在加熱初始階段通常沒有很大變化，而一旦氣泡產(chǎn)生，液滴直徑就會急劇脹大，然后突然爆裂，這時直徑變化率很大，表明微爆強度也較大;而對于非均勻成核過程，液滴直徑反復變化波動，表明液滴不穩(wěn)定，會發(fā)生多次膨脹或局部微爆過程,但每次局部微爆強度與均勻成核過程形成的微爆強度要小很多。

圖4 均勻成核與非均勻成核過程對比

3.3 微爆的影響因素分析

為了研究液滴直徑對微爆發(fā)生的影響，采用兩種不同尺寸的HE30液滴進行了試驗，一組液滴直徑為1.5 mm，另一組液滴直徑為1.0 mm。每組進行5次試驗，結(jié)果1.0 mm液滴組全都沒有觀察到微爆現(xiàn)象，而1.5 mm液滴組觀察到了4次微爆現(xiàn)象,試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果不能說明小直徑液滴的微爆溫度邊界條件降低，因為根據(jù)圖2可以看出，對于同一種輕質(zhì)組分的液體，其理論上微爆溫度邊界條件是相同的。這里可以用蒸發(fā)速率的差異來解釋，小液滴的比表面積較大，蒸發(fā)速率快，在液滴內(nèi)部還未達到過熱極限時就已經(jīng)蒸發(fā)完畢，因而無法達到發(fā)生微爆的溫度邊界條件。

表3 兩種不同尺寸的HE30液滴微爆試驗觀測結(jié)果

關于乳化燃料組分對微爆的影響，前面已經(jīng)分析輕質(zhì)組分比例對微爆溫度邊界條件沒有影響，但和文獻研究結(jié)果一樣，乳化燃料的輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分的比例對微爆發(fā)生后的強度有重要影響。一般當輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分的比例接近1∶1時微爆強度最大。這是因為微爆的產(chǎn)生需要輕質(zhì)組分達到過熱極限后迅速膨脹撐破重質(zhì)組分外膜，反過來要求重質(zhì)組分需要有足夠的包裹力，所以無論哪種組分過少，都無法形成劇烈的微爆。

文中在進行過熱極限計算時忽略了乳化劑的影響。但是在試驗過程中明顯可以看出乳化劑對微爆發(fā)生的影響。試驗過程對于一些放置時間很長的乳化液由于分層及乳化劑沉積，這時上層的乳化液反而更容易發(fā)生微爆。為了進一步證實乳化劑的影響，對未添加乳化劑的含水乙醇與柴油的混合液液滴進行了相關的試驗，也發(fā)現(xiàn)更容易出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。通過分析，可能是乳化劑增加了乳化燃料分子的界面能，使得小分子團可以穩(wěn)定存在，這樣就提高了分子汽化時的自由能，不利于微爆的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

文中利用修正的柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆數(shù)學模型，計算了水與含水乙醇的過熱極限，并與試驗值進行比較。同時進行了微爆觀測試驗，分析了微爆發(fā)生的影響因素，得出了以下結(jié)論。

(1)常壓下，水與含水乙醇的過熱極限分別為280 ℃和180 ℃，與試驗觀測結(jié)果符合較好，說明含水乙醇乳化燃料微爆溫度邊界條件的修正數(shù)學模型的有效性。

(2)含水乙醇乳化燃料的過熱極限取決于乳化燃料輕質(zhì)組分的類型，而與乳化燃料中各組分的比例無關，組分比例只對微爆強度有影響。

(3)試驗觀察到了均勻成核和非均勻成核兩種蒸發(fā)過程，均勻成核出現(xiàn)一次典型而強度較大的微爆，而非均勻成核出現(xiàn)多次局部微爆。

(4)液滴大小和乳化劑影響含水乙醇乳化燃料液滴微爆的發(fā)生。通常液滴直徑越小，發(fā)生微爆的可能性越小，同樣添加乳化劑也降低乳化燃料發(fā)生微爆的概率。