王繼剛，相飛飛，徐 晶，喬信起

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

化石燃料的大規(guī)模使用產(chǎn)生了大量溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖．據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約23%的溫室氣體排放來(lái)自化石燃料燃燒[1]．目前，國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和“雙碳”戰(zhàn)略的提出對(duì)碳排放提出了更高的要求，采用可再生合成燃料、生物燃料替代化石燃料是減少碳排放和確保全球氣候穩(wěn)定的解決方案之一[2-3]．

麻瘋樹(shù)是一種耐干旱、耐貧瘠的油料植物，可種植在荒山和沙漠等不適宜耕種的土地上．它廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)[4]，在中國(guó)的四川、云南、貴州、福建和海南等地有大量的種植，僅云南省麻瘋樹(shù)的種植面積已超過(guò)100 萬(wàn)畝[5]．中國(guó)適合種植麻瘋樹(shù)的地域非常多，一旦有需求，可大面積種植．麻瘋樹(shù)產(chǎn)果量可達(dá)400 kg/畝，種子含油率為35%～38%，其樹(shù)干、果皮和種子有毒，不能用作人類食物或動(dòng)物飼料[6]．麻瘋樹(shù)油熱值高、含硫低、不含芳香烴并具有生物降解性．其缺點(diǎn)是黏度很高，這會(huì)增大噴霧中液滴平均直徑，而且容易沉積在噴嘴上，導(dǎo)致噴嘴積碳堵塞．通過(guò)預(yù)熱的方法可大幅降低燃料的黏度[7-9]，且不會(huì)降低熱值、不產(chǎn)生甘油等副產(chǎn)品，也不消耗化學(xué)品和電力．在農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，將預(yù)熱后的麻瘋樹(shù)油直接應(yīng)用于農(nóng)用柴油機(jī)、分布式能源系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等方面，將在這些地區(qū)發(fā)揮重要作用．

噴霧燃燒實(shí)際上是大量液滴的蒸發(fā)燃燒過(guò)程，由于該過(guò)程涉及多物理場(chǎng)(湍流、溫度和壓力等)、多相和多組分的復(fù)雜耦合，直接研究噴霧液滴的蒸發(fā)特性極其復(fù)雜，一種簡(jiǎn)單且常用的方法就是研究單個(gè)液滴的蒸發(fā)特性[10]．當(dāng)燃料液滴內(nèi)部存在較高的揮發(fā)性差異時(shí)，其在高溫蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸現(xiàn)象，即微爆．液滴在短時(shí)間內(nèi)破碎成很多小的液滴，實(shí)現(xiàn)二次霧化，促進(jìn)燃料蒸發(fā)、油氣混合和燃燒．Califano 等[11]研究了柴油-水乳化油單液滴的蒸發(fā)特性，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)分散相聚結(jié)到一定尺度時(shí)，液滴才會(huì)發(fā)生微爆．王利坡等[12]研究指出，柴油-水乳化油液滴微爆的發(fā)生取決于液滴內(nèi)部揮發(fā)性差異，揮發(fā)性差異越大微爆越劇烈．Juan 等[13]通過(guò)液滴圖像、歸一化直徑平方結(jié)合熱解特性研究了輕質(zhì)原油單液滴的蒸發(fā)特性，重點(diǎn)關(guān)注液滴的破碎過(guò)程，并與傳統(tǒng)破碎模型進(jìn)行對(duì)比．Avulapati 等[14]研究了柴油-生物柴油-乙醇混合燃料液滴的微爆特性發(fā)現(xiàn)，乙醇含量過(guò)高或過(guò)低均不利于微爆的發(fā)生，當(dāng)乙醇含量在10%～40%時(shí)，微爆強(qiáng)度較大，超出這一范圍后微爆將逐漸減弱．Shinjo 等[15]通過(guò)數(shù)值仿真研究了正十六烷-水乳化油液滴的蒸發(fā)特性顯示，液滴微爆強(qiáng)度與分散相水滴的大小、深度以及氣泡深度有關(guān)，當(dāng)水滴較小時(shí)，微爆強(qiáng)度弱；水滴較大且位于液滴中部時(shí)，微爆劇烈．

綜上，多組分燃料液滴的蒸發(fā)過(guò)程往往伴隨微爆現(xiàn)象，尤其是組分之間揮發(fā)性差異大的燃料，但是液滴微爆和蒸發(fā)的機(jī)理研究較少．針對(duì)麻瘋樹(shù)油液滴微爆的原因、微爆機(jī)理尚不清楚．基于此，筆者在液滴蒸發(fā)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)麻瘋樹(shù)油液滴的蒸發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)，揭示其微爆的原因、蒸發(fā)和微爆機(jī)理．

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 給出了所用液滴蒸發(fā)試驗(yàn)裝置原理．該裝置主要由液滴生成及懸掛系統(tǒng)、液滴移動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成．液滴生成及懸掛系統(tǒng)包括微量注射泵、溫度保護(hù)裝置和液滴懸掛支架構(gòu)成，液滴溫度保護(hù)裝置由304 不銹鋼制成，外涂耐高溫隔熱涂層，主要用于液滴進(jìn)入高溫環(huán)境過(guò)程中避免高溫氣流對(duì)液滴的影響．液滴懸掛于兩根直徑為0.1 mm石英絲的交叉點(diǎn)上，由于石英的導(dǎo)熱系數(shù)很小，當(dāng)液滴直徑大于其10 倍及以上時(shí)，其對(duì)液滴蒸發(fā)的影響可忽略[16-17]．液滴移動(dòng)系統(tǒng)由一懸臂和步進(jìn)電機(jī)-滾珠絲桿組成，液滴懸掛支架固定于該支架上，通過(guò)懸臂的上、下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴的進(jìn)/出．加熱系統(tǒng)由定容彈、熱電偶和溫度控制器組成．定容彈為圓柱狀，內(nèi)徑為80 mm，高為250 mm，由304 不銹鋼制成，可實(shí)現(xiàn)300～1 200 K 的溫度．在其左、右兩側(cè)設(shè)置一對(duì)觀察窗，用于觀測(cè)液滴；上方開(kāi)有一直徑為28 mm 的通孔，用于液滴進(jìn)/出．為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定容彈內(nèi)部溫度，在其上部和下部各安裝一熱電偶．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、高速相機(jī)和背光燈．試驗(yàn)裝置的重復(fù)性誤差在3%以內(nèi)．其中，高速相機(jī)為Photron FASTCAM SA-Z，由于液滴較小需安裝顯微鏡頭(Questar QM1#30001)，拍攝幀率為1 000 幀/s．

圖1 液滴蒸發(fā)試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of the experiment set-up

1.2 圖像處理方法

圖2 為液滴圖像處理流程．依次對(duì)圖像進(jìn)行去背景、二值化和孔洞填充處理，液滴與背景高度區(qū)分，無(wú)雜質(zhì)，二值化采用經(jīng)典大津閾值法．然后，采用形態(tài)學(xué)方法去除液滴外的石英絲，將剩余的面積等效為一個(gè)圓，采用折算當(dāng)量直徑的方法獲得液滴的直徑數(shù)據(jù)．試驗(yàn)中液滴初始直徑保持在(1±0.05)mm，為消除初始液滴直徑誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用量綱為1 的參數(shù)：歸一化直徑平方，其中液滴直徑平方的誤差為4.08%．

圖2 圖像處理流程Fig.2 Process of the image processing

1.3 試驗(yàn)燃料及條件

試驗(yàn)燃料為麻瘋樹(shù)油、油酸、亞油酸和棕櫚酸，其中油酸、亞油酸和棕櫚酸是麻瘋樹(shù)油的3 種含量最高的組分，分別占36.03%、34.42%和13.31%．麻瘋樹(shù)油為實(shí)驗(yàn)室自制，將麻瘋樹(shù)種子通過(guò)物理壓榨、過(guò)濾、除雜、自然沉淀和去除水分后所得，其中自然沉淀至少2 160 h．油酸、亞油酸和棕櫚酸是從市場(chǎng)中購(gòu)得，均為分析純．由于麻瘋樹(shù)油沸點(diǎn)較高，低溫下蒸發(fā)很緩慢．因此，環(huán)境溫度選擇673、773、873、973 和1 073 K．同時(shí)為防止高溫下液滴發(fā)生自燃，環(huán)境氣體選擇氮?dú)猓捎谖⒚壮叨?直徑介于1～100μm)的液滴生成難度很大，液滴產(chǎn)生的重復(fù)性難以保證，而且其蒸發(fā)時(shí)間很短，目前的試驗(yàn)條件無(wú)法直接研究其蒸發(fā)特性．有研究[18-19]表明，微米尺度的液滴與亞毫米尺度(直徑介于0.1～1.0 mm)的液滴具有相似的蒸發(fā)特性，對(duì)于燃料液滴蒸發(fā)試驗(yàn)中普遍采用亞毫米尺度的液滴[20-22]，因而選擇初始直徑為1 mm 左右的液滴開(kāi)展研究．

2 結(jié)果與討論

2.1 麻瘋樹(shù)油液滴微爆和蒸發(fā)特性

麻瘋樹(shù)油液滴在環(huán)境溫度為673 K 下蒸發(fā)比較平穩(wěn)，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生微爆現(xiàn)象，773 K 時(shí)只有在后期出現(xiàn)了短暫的微爆，液滴變形都比較小，因而沒(méi)有給出其圖像．圖3 示出麻瘋樹(shù)油液滴在環(huán)境溫度為873 K 下的序列圖像．麻瘋樹(shù)油液滴在873 K 下的蒸發(fā)過(guò)程包括：初始膨脹(0～5.300 s)、平衡蒸發(fā)(5.300～30.904 s)、微爆蒸發(fā)(30.904～36.162 s)和殘留物蒸發(fā)階段(36.162 s～)．液滴從進(jìn)入高溫環(huán)境到體積膨脹到局部最大(受熱膨脹)，該時(shí)刻定義為初始膨脹階段和平衡蒸發(fā)階段的分界點(diǎn)[23-24]；液滴內(nèi)部出現(xiàn)氣泡的時(shí)刻即為平衡蒸發(fā)階段和微爆蒸發(fā)階段的分界點(diǎn)；微爆結(jié)束時(shí)刻定義為微爆蒸發(fā)階段和殘留物蒸發(fā)階段的分界點(diǎn)．試驗(yàn)中，液滴移動(dòng)到拍攝目標(biāo)位置的時(shí)刻定義為0 時(shí)刻，從0 s 到31.994 s 液滴內(nèi)部沒(méi)有氣泡形成，液滴蒸發(fā)比較平穩(wěn)，液滴經(jīng)歷了初始膨脹階段和平衡蒸發(fā)階段．

圖3 環(huán)境溫度為873 K下麻瘋樹(shù)油液滴蒸發(fā)的序列圖像Fig.3 Sequence images of jatropha oil droplets evaporating at ambient temperature of 873 K

在微爆蒸發(fā)階段，在31.994 s 時(shí)在液滴右下方出現(xiàn)了一個(gè)小凸起，表明在液滴內(nèi)部出現(xiàn)了氣泡．之后液滴內(nèi)部不斷成核形成更多的氣泡，在32.942 s 時(shí)可以清晰地觀察到兩個(gè)小氣泡．這兩個(gè)小氣泡尺寸在逐漸長(zhǎng)大，在33.342 s 時(shí)發(fā)生聚合，液滴形狀發(fā)生較大變化．由于內(nèi)部環(huán)流的影響，氣泡在液滴內(nèi)部不斷地運(yùn)動(dòng)并長(zhǎng)大，氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相鄰氣泡間的范德華力和表面張力相近時(shí)就會(huì)發(fā)生聚合．在34.612 s 時(shí)可以看到許多氣泡同時(shí)存在于一個(gè)液滴中，從液滴表面突出了很多小凸起．在34.770 s 液滴內(nèi)部小氣泡聚合成一個(gè)大氣泡，由于內(nèi)部成核氣泡還在持續(xù)膨脹，在34.772 s 時(shí)達(dá)到最大，緊接著發(fā)生微爆．在34.778 s之后液滴內(nèi)部氣泡持續(xù)成核，到34.932 s 時(shí)液滴內(nèi)部存在較多單獨(dú)存在的氣泡，液滴呈泡沫狀，在液滴左下方較大氣泡處發(fā)生局部微爆．之后液滴又發(fā)生了數(shù)次局部微爆和整體微爆，并噴出了很多小液滴．在殘留物蒸發(fā)階段，在39.800 s 時(shí)液滴蒸發(fā)非常緩慢，剩余較多的殘留物在石英絲上．

圖4 示出環(huán)境溫度為973 K 下麻瘋樹(shù)油液滴的序列圖像．在0.376 s 之前液滴穩(wěn)定蒸發(fā)，與873 K 相似．在0.376～3.332 s 之間液滴在蒸發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)了小的吹吸，并周期性地噴出很多小液滴，典型的時(shí)刻如1.621 s 和2.152 s．這是由于液滴表面局部低沸點(diǎn)組分過(guò)熱引起的．在3.332 s 可以清楚地看到液滴表面出現(xiàn)了氣泡，在3.388、3.408 和3.412 s 液滴表面出現(xiàn)了凹坑．凹坑底部?jī)?nèi)表面為低壓區(qū)，相對(duì)于高壓區(qū)，低壓區(qū)的沸騰蒸發(fā)溫度要低很多，由此會(huì)誘發(fā)微氣泡的成核[25]．

圖4 環(huán)境溫度為973 K下麻瘋樹(shù)油液滴蒸發(fā)的序列圖像Fig.4 Sequence images of jatropha oil droplets evaporating at ambient temperature of 973 K

輕重組分相界面存在較大曲率也會(huì)成為微氣泡的成核位點(diǎn)．液滴在3.752 s 時(shí)表面出現(xiàn)了兩個(gè)漂浮筏，根據(jù)文獻(xiàn)[26—27]，液滴在蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)形成獨(dú)特的輕-重組分兩相結(jié)構(gòu)，當(dāng)液滴進(jìn)入高溫環(huán)境后，液滴內(nèi)的重組分開(kāi)始析出．由于液滴內(nèi)部溫度低于表面溫度，內(nèi)部密度必然高于表面密度．在溫度梯度和密度梯度的驅(qū)動(dòng)下，析出的重組分必然漂向液滴表面，并被表面捕獲．于是液滴表面上就存在兩相分子：輕組分相和重組分相．輕組分達(dá)到沸點(diǎn)后產(chǎn)生氣泡，而重組分漂浮在氣泡表面上，如圖4 所示，形成漂浮筏結(jié)構(gòu)，這也證明了陸奇志等[25]的猜想．液滴內(nèi)部組分的相分離現(xiàn)象在文獻(xiàn)[28]中也觀察到了．在3.932 s 時(shí)氣泡表面再次出現(xiàn)大的表面凹坑，緊接著氣泡達(dá)到最大，液滴向左側(cè)傾斜，最終在4.016 s 發(fā)生整體微爆．微爆后由于其反向沖力使得液滴向右側(cè)傾斜，液滴內(nèi)部持續(xù)氣泡成核并增大．之后在4.272 s液滴發(fā)生局部微爆，液滴蒸發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)周期性的氣泡聚合、相分離、膨脹和局部微爆，直到5.268 s 蒸發(fā)結(jié)束，剩余殘留物在石英絲上．

圖5 示出環(huán)境溫度為1 073 K 下麻瘋樹(shù)油液滴的序列圖像．在2.369 s 之前，液滴的蒸發(fā)過(guò)程與973 K相似，首先經(jīng)歷穩(wěn)定蒸發(fā)并伴隨一些小液滴噴出．在2.422 s 時(shí)液滴表面出現(xiàn)漂浮筏，預(yù)示著液滴內(nèi)部開(kāi)始發(fā)生相分離現(xiàn)象，之后漂浮筏在氣泡表面運(yùn)動(dòng)．在2.592～2.598 s 期間，兩個(gè)漂浮筏發(fā)生聚合，這說(shuō)明大的漂浮筏是由于小漂浮筏聚合形成的．兩個(gè)漂浮筏

圖5 環(huán)境溫度為1 073 K下麻瘋樹(shù)油液滴蒸發(fā)的序列圖像Fig.5 Sequence images of jatropha oil droplets evaporating at ambient temperature of 1 073 K

聚合后在2.601 s 時(shí)在其表面產(chǎn)生一個(gè)小氣泡，這是由于相界面成核引起的．之后液滴內(nèi)部劇烈成核，小氣泡聚合，在2.648～2.737 s 之間液滴經(jīng)歷了成核過(guò)程，在氣泡表面出現(xiàn)了界面不穩(wěn)定和多個(gè)凹坑．氣泡內(nèi)部壓力達(dá)到最大時(shí)發(fā)生破裂(2.738 s)，為整體微爆．此次微爆過(guò)程產(chǎn)生了韌帶而且飛出了很多小液滴．微爆后液滴通過(guò)形狀恢復(fù)、氣泡成核和膨脹之后在2.830 s 時(shí)再次發(fā)生整體微爆．第二次微爆結(jié)束后，大部分液滴被蒸發(fā)掉了，剩余的液滴又經(jīng)歷了多次局部微爆和整體微爆，最終蒸發(fā)掉所有的液滴，在3.467 s 時(shí)全部蒸發(fā)結(jié)束，可以看到在1 073 K 下生發(fā)殘留物很少，基本上全部蒸發(fā)掉了．

在液滴蒸發(fā)過(guò)程中氣泡形成后液滴一直處于不穩(wěn)定(振動(dòng))狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源是：(1)內(nèi)部氣泡的環(huán)流運(yùn)動(dòng)，氣泡的快速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致液滴內(nèi)部質(zhì)量分布快速變化，驅(qū)動(dòng)液滴的形狀振動(dòng)；(2)氣泡聚合的沖擊力，由于小氣泡的壓力大于大氣泡的壓力，當(dāng)小氣泡和大氣泡發(fā)生聚合時(shí)伴隨著壓力的突變和氣體運(yùn)動(dòng)的突變，會(huì)引起液滴振動(dòng)．此外，在環(huán)境溫度為873、973 和1 073 K 時(shí)，在液滴周圍還觀察到了類似羽流狀或云狀的物質(zhì)．

液滴的直徑平方變化率[29]ε定義為

式中：d 為液滴直徑；i 和j 分別是前一時(shí)刻和后一時(shí)刻；d0為初始液滴直徑．

圖6a 和圖6b 為麻瘋樹(shù)油液滴在673 K 和773 K下歸一化直徑平方和直徑平方變化率曲線．可以看出，麻瘋樹(shù)油液滴在673 K 下的蒸發(fā)過(guò)程比較平穩(wěn)，液滴直徑平方變化率保持不變，其蒸發(fā)過(guò)程包括初始膨脹階段t1、平衡蒸發(fā)階段t2和殘留物蒸發(fā)階段t4．液滴從低溫環(huán)境進(jìn)入高溫環(huán)境后液滴內(nèi)部分子間的間距將明顯增大，液滴體積發(fā)生膨脹；同時(shí)液滴也在蒸發(fā)，但是液滴體積膨脹速率要大于其蒸發(fā)速率，因而液滴直徑在增大．一段時(shí)間后，液滴內(nèi)部分子間距達(dá)到最大，蒸發(fā)速率也逐漸升高，最終蒸發(fā)速率大于其體積膨脹速率，故液滴直徑開(kāi)始減?。旱芜M(jìn)入平衡蒸發(fā)階段，蒸發(fā)過(guò)程近似服從d2定律．直到120 s/mm2之后，液滴直徑開(kāi)始緩慢減小，表明液滴開(kāi)始進(jìn)入殘留物蒸發(fā)階段．

圖6 麻瘋樹(shù)油液滴歸一化直徑平方與直徑平方變化率Fig.6 Changing rate of normalized squared diameter and the squared diameter of jatropha oil droplets

與673 K 有所不同，麻瘋樹(shù)油液滴在773 K 經(jīng)歷了初始膨脹階段t1、平衡蒸發(fā)階段t2、微爆蒸發(fā)階段t3和殘留物蒸發(fā)階段t4．初始膨脹階段與673 K 相似，平衡蒸發(fā)階段在初始膨脹階段后，液滴蒸發(fā)速率逐漸開(kāi)始大于其體積膨脹率，同時(shí)內(nèi)部組分吸收熱量為熱解做準(zhǔn)備；在微爆蒸發(fā)階段，液滴直徑平方變化率明顯增大，表明液滴在經(jīng)歷連續(xù)的氣泡成核、聚合、增長(zhǎng)和破裂過(guò)程．殘留物蒸發(fā)階段，前期蒸發(fā)相對(duì)較快后期基本不再蒸發(fā)．

圖6c 為麻瘋樹(shù)油液滴在873 K 時(shí)歸一化直徑平方和直徑平方變化率曲線．液滴先后經(jīng)歷了初始膨脹階段t1、平衡蒸發(fā)階段t2、微爆蒸發(fā)階段t3和殘留物蒸發(fā)階段t4．液滴進(jìn)入高溫環(huán)境后，首先經(jīng)歷了一個(gè)短暫的膨脹過(guò)程，在5.512 s 時(shí)達(dá)到局部最大值(1.142)．然后直接進(jìn)入平衡蒸發(fā)階段，液滴歸一化直徑平方近似服從d2定律．需要說(shuō)明的是，873 K 下液滴微爆比773 K 下劇烈得多，因此，微爆結(jié)束后液滴內(nèi)部剩余的高沸點(diǎn)和不易熱解的組分已經(jīng)很少了，微爆后液滴不再經(jīng)歷平衡蒸發(fā)階段．在微爆蒸發(fā)階段，主要以局部微爆為主，液滴在經(jīng)歷了數(shù)次的微爆之后，內(nèi)部大部分低沸點(diǎn)組分蒸發(fā)完了，剩余的大都是高沸點(diǎn)組分，因而液滴不再出現(xiàn)氣泡，開(kāi)始進(jìn)入殘留物蒸發(fā)階段．

圖6d 和圖6e 給出了麻瘋樹(shù)油液滴在973 K 和1 073 K 歸一化直徑平方和直徑平方變化率曲線．液滴在973 K 和1 073 K 的蒸發(fā)過(guò)程分為初始膨脹階段t1、微爆蒸發(fā)階段t3和殘留物蒸發(fā)階段t4．由于環(huán)境溫度已經(jīng)超過(guò)麻瘋樹(shù)油的臨界溫度(656～781 K)，液滴在經(jīng)過(guò)短暫的初始膨脹階段后直接進(jìn)入微爆蒸發(fā)階段，沒(méi)有出現(xiàn)平衡蒸發(fā)階段．在進(jìn)入高溫環(huán)境后直接發(fā)生膨脹，沒(méi)有經(jīng)歷直徑減小的過(guò)程，這說(shuō)明液滴在經(jīng)歷初始的熱膨脹后內(nèi)部一些組分已經(jīng)達(dá)到其過(guò)熱極限從而產(chǎn)生了氣泡．隨著環(huán)境溫度的升高，液滴微爆更加劇烈，這是因?yàn)闇囟仍礁咭旱蝺?nèi)部會(huì)有更多的組分達(dá)到其過(guò)熱極限，進(jìn)而成核產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致液滴內(nèi)部氣泡的含量明顯增多．

圖7 為麻瘋樹(shù)油在5 種環(huán)境溫度下的平均蒸發(fā)速率．顯然，環(huán)境溫度越高液滴蒸發(fā)速率越大．當(dāng)環(huán)境溫度低于873 K 時(shí)液滴蒸發(fā)很慢，蒸發(fā)速率不超過(guò)0.015 mm2/s．但是當(dāng)環(huán)境溫度高于873 K 后其蒸發(fā)速率顯著增加，環(huán)境溫度為973 K 和1 073 K 的蒸發(fā)速率分別為0.098 8 mm2/s 和0.188 6 mm2/s，相比873 K分別增加了7.74 倍和15.69 倍．

圖7 不同環(huán)境溫度下的平均蒸發(fā)速率Fig.7 Average evaporation rate under different ambient temperatures

2.2 液滴蒸發(fā)過(guò)程中的“蒸氣羽流”和“蒸氣云”

在麻瘋樹(shù)油液滴蒸發(fā)過(guò)程中，液滴周圍出現(xiàn)了類似羽流狀和云狀的物質(zhì)，如圖8 和圖9 所示．該現(xiàn)象在其他多組分燃料(如柴油、生物柴油和煤油)液滴蒸發(fā)過(guò)程中沒(méi)有觀察到，以前的研究沒(méi)有報(bào)道過(guò)類似的現(xiàn)象．圖中紅色虛線表示羽流狀和云狀物質(zhì)的近似邊緣．當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到或超過(guò)873 K 后，在蒸發(fā)前期便可觀察到羽流狀物質(zhì)，但在873 K 下，羽流狀物質(zhì)的密度很小，由于其運(yùn)動(dòng)過(guò)程近似羽流，稱其為“蒸氣羽流”．與“蒸氣羽流”類似，環(huán)境溫度達(dá)到或超過(guò)873 K 后，在蒸發(fā)的中、后期羽流狀的物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵茽钗镔|(zhì)，稱其為“蒸氣云”見(jiàn)圖9．液滴在出現(xiàn)“蒸氣羽流”時(shí)并沒(méi)有發(fā)生振動(dòng)和變形，表明在液滴內(nèi)部還沒(méi)有出現(xiàn)氣泡．在環(huán)境溫度為1 073 K 時(shí)，在3.383 s 液滴上方出現(xiàn)了非常濃密的“蒸氣云”，這一方面是由于液滴表面的快速蒸發(fā)形成了大量蒸氣，另一方面是由于微爆噴出了大量的蒸氣，大量的蒸氣噴出后立即變成濃密的“蒸氣云”．

圖8 環(huán)境溫度為873 K下“蒸氣羽流”圖像Fig.8 Images of "vapor plume" at 873 K

圖9 環(huán)境溫度為1 073 K下“蒸氣云”圖像Fig.9 Images of "vapor cloud" at 1 073 K

為探究“蒸氣羽流”和“蒸氣云”的形成原因，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度越高，“蒸氣云”的密度越大，這有可能是因?yàn)榄h(huán)境溫度越高，液滴的表面蒸發(fā)速率越快．陳浩[30]在研究正十六烷液滴在環(huán)境溫度為773 K和環(huán)境壓力為1.0～1.3 MPa(正十六烷臨界溫度為720 K，臨界壓力為1.4 MPa)時(shí)，在液滴周圍也出現(xiàn)了類似云狀的物質(zhì)．他認(rèn)為云狀物質(zhì)有可能是介于液體和氣體之間的高密度蒸氣．試驗(yàn)中，麻瘋樹(shù)油的平均沸點(diǎn)約為628 K，臨界溫度為656～821 K[31]，環(huán)境溫度高于873 K 后液滴表面已經(jīng)達(dá)到了跨臨界狀態(tài)[32]，“蒸氣羽流”和“蒸氣云”也可能是介于液體和氣體之間的高密度蒸氣，液滴內(nèi)部溫度較低，未發(fā)生跨臨界反應(yīng)，仍然保持液相．但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)石化柴油液滴在環(huán)境溫度為973 K 和1 073 K 時(shí)液滴周圍并未出現(xiàn)“蒸氣羽流”和“蒸氣云”，973 K 和1 073 K 已經(jīng)遠(yuǎn)高于石化柴油的臨界溫度(713～743 K[32])．因此，“蒸氣羽流”和“蒸氣云”的產(chǎn)生不是跨臨界反應(yīng)引起的．推測(cè)這兩種現(xiàn)象的形成原因有：(1)蒸氣快速蒸發(fā)吸收了大量熱量，使液滴附近的空氣溫度降低(非等溫冷凝)，蒸氣迅速凝結(jié)，形成許多微小的液滴；(2)高溫下麻瘋樹(shù)油中的組分物性發(fā)生很大變化(如黏度和表面張力大幅降低)，低沸點(diǎn)組分在液滴內(nèi)部的擴(kuò)散速率和表面的蒸發(fā)速率大幅增大，快速蒸發(fā)的同時(shí)將周圍的高沸點(diǎn)組分帶出液滴表面；(3)高溫下麻瘋樹(shù)油表面的組分自身熱解，熱解組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了固體顆粒．

2.3 麻瘋樹(shù)油液滴的微爆原因

以往的研究[19,24,33]表明，液滴的蒸發(fā)過(guò)程是一個(gè)物理變化過(guò)程，蒸發(fā)過(guò)程的微爆是由于燃料組分沸點(diǎn)的差異性引起的．但筆者研究表明，液滴蒸發(fā)過(guò)程中有可能也伴隨著化學(xué)反應(yīng)．圖10 給出了麻瘋樹(shù)油中含量最多的3 種單組分脂肪酸(油酸、亞油酸和棕櫚酸)的歸一化直徑平方．在973 K 以下3 種單組分均沒(méi)有發(fā)生微爆現(xiàn)象，在1 073 K 下油酸和棕櫚酸在末期發(fā)生了微爆現(xiàn)象，這是個(gè)非常特殊的情形．在氮?dú)猸h(huán)境下，單組分液滴內(nèi)部不存在沸點(diǎn)差異性，根據(jù)以前的研究[24,32,34]不會(huì)發(fā)生微爆；通過(guò)分析可知，單組分液滴內(nèi)部的微爆是由于脂肪酸在高溫下熱解導(dǎo)致的[35-36]．由麻瘋樹(shù)油的熱解特性可知，在高溫下脂肪酸會(huì)熱解形成氣體(CO，CO2)和小分子烷烴、烯烴，如2-甲基戊烷、3-甲基戊烷、環(huán)己烷、2-甲基-1-戊烯、壬烷、2-乙基-3-甲基-1-丁烯和2-甲基-1-戊烯．這些小分子的烷烴、烯烴的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于脂肪酸的，因而會(huì)在液滴內(nèi)部過(guò)熱產(chǎn)生氣泡進(jìn)而發(fā)生微爆；麻瘋樹(shù)油中組分之間的沸點(diǎn)差異性較小，微爆的產(chǎn)生主要是脂肪酸的熱解導(dǎo)致的．

圖10 麻瘋樹(shù)油中3種主要組分液滴歸一化直徑平方Fig.10 Normalized squared diameter of three main components in jatropha oil droplet

2.4 麻瘋樹(shù)油液滴的微爆和蒸發(fā)概念模型

麻瘋樹(shù)油液滴的微爆蒸發(fā)過(guò)程同時(shí)涉及多組分兩相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、相變和化學(xué)反應(yīng)，因而蒸發(fā)過(guò)程極為復(fù)雜，根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果、文獻(xiàn)研究結(jié)果和麻瘋樹(shù)油理化特性等，推理得到了麻瘋樹(shù)油液滴微爆蒸發(fā)的概念模型見(jiàn)圖11．在不同環(huán)境溫度下麻瘋樹(shù)油液滴的蒸發(fā)模式是完全不同的，依據(jù)環(huán)境溫度的不同分為以下3 種模式．

圖11 麻瘋樹(shù)油液滴微爆蒸發(fā)概念模型Fig.11 Conceptual model of micro-explosion and evaporation of jatropha oil droplets

(1)當(dāng)環(huán)境溫度小于麻瘋樹(shù)油的熱解溫度Tp時(shí)，穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)．液滴進(jìn)入高溫環(huán)境后，在經(jīng)歷體積膨脹后液滴直徑均勻減小，液滴的蒸發(fā)速率取決于液滴的表面溫度和內(nèi)部組分的擴(kuò)散速率．當(dāng)液滴內(nèi)部揮發(fā)性較高的組分蒸發(fā)完之后，低揮發(fā)性組分(長(zhǎng)鏈脂肪酸)逐漸固化形成殘留物．

(2)當(dāng)環(huán)境溫度介于麻瘋樹(shù)油的熱解溫度和臨界溫度Tc之間時(shí)，液滴微爆蒸發(fā)．液滴在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱后，在液滴內(nèi)部和表面開(kāi)始出現(xiàn)氣泡(如圖3中32.942 s、圖4 中3.332 s 和圖5 中2.190 s 時(shí)刻的圖像)．緊接著，小氣泡在內(nèi)部環(huán)流和馬蘭戈尼流動(dòng)的影響下發(fā)生聚合，形成較大的氣泡(如圖3 中34.772 s、圖4 中3.924 s 和圖5 中2.648 s 時(shí)刻的圖像)，直到液滴內(nèi)部大氣泡的壓力超過(guò)液滴的表面張力時(shí)，氣泡便發(fā)生破裂，典型的微爆有圖 4 中4.016～4.020 s 和圖5 中2.737～2.738 s 時(shí)刻的圖像．麻瘋樹(shù)油液滴的微爆過(guò)程會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，直到液滴內(nèi)部大部分氣泡被消耗掉．氣泡在破裂同時(shí)將液滴中的液相燃料破碎成很多小液滴，因而微爆后液滴直徑明顯減小．微爆結(jié)束后在液滴內(nèi)部仍有一些小氣泡殘留，但這些小氣泡的壓力小于液滴表面張力，因而不再發(fā)生微爆，到后期難揮發(fā)性組分逐漸固化，形成殘留物．

(3)當(dāng)環(huán)境溫度高于臨界溫度時(shí)，液滴微爆蒸發(fā)的同時(shí)伴隨“蒸氣羽流”和“蒸氣云”．該種情況下，蒸發(fā)過(guò)程與模式都經(jīng)歷了氣泡形成、增長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)、聚合、破裂(微爆)和殘留物形成5 個(gè)過(guò)程．不同之處有：(a)環(huán)境溫度高于873 K 時(shí)，麻瘋樹(shù)油液滴內(nèi)部組分達(dá)到其熱解溫度的組分比例比模式(2)多，因而液滴內(nèi)部出現(xiàn)的氣泡數(shù)量也多，微爆的強(qiáng)度較大；(b)在麻瘋樹(shù)油液滴受熱一段時(shí)間后，液滴下方出現(xiàn)濃密的“蒸氣羽流”，“蒸氣羽流”一直持續(xù)到液滴內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，氣泡出現(xiàn)后“蒸氣羽流”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢魵庠啤币?jiàn)圖8 和圖9．需要指出的是，由于溫度較高，在麻瘋樹(shù)油液滴內(nèi)部能清楚地觀察到輕重組分的相分離現(xiàn)象(如圖4 中3.752 s 和3.836 s、圖5 中2.592 s和2.601 s 時(shí)刻的圖像)，這種現(xiàn)象目前只有在乳化油液滴的蒸發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)，在其他均相燃料液滴中沒(méi)有相關(guān)報(bào)道．液滴內(nèi)部的環(huán)流運(yùn)動(dòng)使得液滴在表面形成凹坑(如圖4 中3.408、3.412 和3.932 s、圖5 中2.738 s 時(shí)刻的圖像)，凹坑的形成會(huì)誘發(fā)微氣泡的成核(如圖4 中3.752 s 和圖5 中2.592 s 時(shí)刻的圖像)，在氣相環(huán)境中存在“蒸氣云”，“蒸氣云”一直在不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有時(shí)會(huì)形成渦流．

3 結(jié) 論

(1) 麻瘋樹(shù)油液滴在673 K 下的蒸發(fā)過(guò)程包括初始膨脹、平衡蒸發(fā)和殘留物蒸發(fā)階段；在環(huán)境溫度高于773 K 后經(jīng)歷初始膨脹、平衡蒸發(fā)、微爆蒸發(fā)和殘留物蒸發(fā)階段．

(2) 在麻瘋樹(shù)油液滴蒸發(fā)過(guò)程中首次觀測(cè)到了“蒸氣羽流”和“蒸氣云”現(xiàn)象，這有可能是因?yàn)楦邷叵侣榀倶?shù)油中低沸點(diǎn)組分在液滴內(nèi)部的擴(kuò)散速率和表面的蒸發(fā)速率大幅增大，快速蒸發(fā)的同時(shí)將周圍的高沸點(diǎn)組分帶出液滴表面導(dǎo)致的．

(3) 麻瘋樹(shù)油液滴的微爆并非單純的物理過(guò)程，而是一個(gè)物理和化學(xué)復(fù)合的過(guò)程，是由于脂肪酸熱解后產(chǎn)生的小分子在液滴內(nèi)過(guò)熱引起的，因而一般出現(xiàn)在液滴蒸發(fā)的中后期．

(4) 麻瘋樹(shù)油組分的熱解溫度和臨界溫度是影響其微爆和蒸發(fā)模式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)溫度低于其熱解溫度時(shí)液滴穩(wěn)定蒸發(fā)，介于熱解溫度和臨界溫度時(shí)，微爆蒸發(fā)，高于臨界溫度后，微爆蒸發(fā)的同時(shí)出現(xiàn)“蒸氣羽流”和“蒸氣云”．