2.1 喷射压力对凝胶汽油雾化特性的影响
为了研究喷射压力对凝胶汽油雾化特性的影响,分别在未加装预剪切管和加装预剪切管的情况下,对凝胶汽油雾化后液滴粒径和速度进行测量。
表1为未加装预剪切管和分别加装D2L10及D3L20的预剪切管在不同的喷射压力下的液滴粒径分布情况。分析相同喷射压力下的粒径数据可知,加装预剪切管后雾化的液滴粒径的大小明显小于未加装预剪切管的液滴粒径。这是由于SiO2/汽油凝胶中形成了立体网状结构,加装预剪切管后相当于施加了一个剪切作用,剪切力将整体网状结构破坏成许多网状颗粒结构,表观粘度相应下降,进而导致雾化后液滴粒径相应减小。
表1 雾化后液滴粒径随喷射压力变化
Tab.1 Atomized droplet diameter versus injection pressure
分析表1可知,随着喷射压力的增大,液滴粒径随之减小:喷射压力从0.50 MPa增加到0.75 MPa时,未加装预剪切管情形下雾化后液滴粒径减小了14.8 μm,加装D2L10预剪切管的减小了13.5 μm,加装D3L20预剪切管的减小18.2 μm; 而喷射压力从0.75 MPa增加到1.25 MPa时,未加装预剪切管情形下的雾化后液滴粒径减小10.5 μm,加装D2L10预剪切管的减小8.8 μm,加装D3L20预剪切管的减小6.7 μm。由此可知在较低喷射压力下,雾化后液滴粒径大小更易受到压力变化的影响; 当喷射压力逐渐增大,粒径大小变化趋于平缓。这是因为随着喷射压力的增大,凝胶汽油剪切速率相应增大,表观粘度减小,则雾化后的液滴粒径也随之减小。但文献[13]表明,剪切速率增大到一定值时,凝胶汽油表观粘度减小的趋势放缓,因此喷射压力越大,对雾化后液滴粒径的影响也越小。
图 3为在不同喷射压力下,未加装预剪切管和加装D2L10预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。图中表明在同样的喷射压力下,相比于未加装预剪切管时的情形,加装D2L10预剪切管的雾化后液滴速度明显减小,雾化场高速区域面积减小,说明加装预剪切管会造成雾化后液滴速度一定程度上的衰减。这是因为预剪切管对凝胶推进剂的预剪切作用虽然降低了表观粘度,但也造成了能量的损失,使得碰撞时射流的动能减小,液滴速度降低。
图3 不同条件下雾化后液滴速度分布矢量图
Fig.3 Droplet velocity vector distribution under different atomization conditions
图 3还表明了喷射压力对雾化后液滴速度的影响。随着喷射压力的增加,射流撞击时的动能增大,从图中可以看出,雾化后液滴的速度增大且雾化场高速区域的面积增大。
2.2 预剪切管喉部直径对凝胶汽油雾化特性的影响
预剪切管喉部直径D越小,对凝胶汽油剪切力越大,为了研究其对凝胶汽油雾化特性的影响,加装不同喉部直径的预剪切管对凝胶汽油雾化后液滴粒径和速度进行测量。
表2是加装喉部长度为10 mm和20 mm的预剪切管雾化后液滴粒径随喉部直径变化的数据。随着喉部直径的减小,雾化后液滴粒径也减小。这是因为喉部直径越小,对液流剪切作用越强。从粒径数据的变化趋势又可看出,喉部直径从4 mm减小到3 mm时液滴粒径的降幅明显小于喉部直径从3 mm减小到2 mm时的降幅,表明在喉部直径较小时,直径的变化对粒径的影响较大,即在较大剪切力作用下凝胶汽油的表观粘度才会有显著变化。
表2 雾化后液滴粒径随喉部直径变化
Tab.2 Variation of atomized droplet diameter with throat diameter
当预剪切管喉部直径从4 mm减小到2 mm时,两种情形下的液滴粒径的绝对降幅分别为33.1 μm和32.0 μm,相对降幅分别为21.4%和22.0%,数值接近,因此对于不同的喉部长度,喉部直径变化对雾化后液滴粒径的影响程度几乎相同。
为了研究预剪切管喉部直径对雾化后液滴速度分布的影响,加装喉部长度为20 mm,喉部直径分别为4 mm,3 mm和2 mm的预剪切管在喷射压力为1.00 MPa下进行雾化实验。图4为加装不同喉部直径的预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。从图中可以看出随着喉部直径的减小,核心撞击区的速度减小,高速区域的面积减小。预剪切管喉部直径从4 mm变化到3 mm时,液滴速度整体下降比较大,喉部直径从3 mm变化到2 mm时,液滴速度只是略有下降。
图4 雾化后液滴速度分布随喉部直径变化
Fig.4 Variation of droplet velocity vector distribution with different throat diameters
随着预剪切管喉部直径的减小,凝胶汽油受到的流动阻力增大,能量损失增加,导致雾化后液滴速度减小。由于喉部直径从4 mm变化到3 mm时管道截面积减小约5.5 mm2,喉部直径从3 mm变化到2 mm时管道截面积减小3.9 mm2,因此前一个变化过程中液滴速度的整体降幅更大。此外喉部截面积与两侧管道的截面积差值越大越有利于降低凝胶汽油的表观粘度,从而减小液滴撞击时的能量损失,这种补偿作用也能减小雾化后液滴速度的降幅。
2.3 预剪切管喉部长度对凝胶汽油雾化特性的影响
预剪切管喉部长度L决定了对凝胶汽油剪切作用的持续时间,为了研究其对凝胶汽油雾化特性的影响,加装不同喉部长度的预剪切管对凝胶汽油雾化后液滴粒径和速度进行测量。
表3为加装喉部直径为2 mm和3 mm的不同长度预剪切管测得的粒径变化数据。分析数据可知,对于喉部直径为3 mm时的数据,随着预剪切管喉部长度的增加,雾化后液滴粒径减小。这是由于随着喉部长度的增加,所施加的剪切力作用时间增长,表观粘度降低,雾化后液滴粒径也随之减小。但从喉部直径为2 mm时的数据却发现在喉部长度从20 mm增加到30 mm时,雾化后液滴的粒径反而上升了。这说明随着剪切力作用时间的增加达到一定值时,凝胶汽油表观粘度趋于稳定不再明显降低,而喉部长度的增加还会使液流能量损失增加,流速降低,导致雾化时液滴碰撞破碎的频率减小,液滴粒径增大。
表3 雾化后液滴粒径随喉部长度变化
Tab.3 Variation of atomized droplet diameter with throat length
当预剪切管喉部长度从10 mm增加到20 mm时,两种情形下的液滴粒径绝对降幅分别为7.8 μm和3.2 μm,相对降幅分别为6.4%和2.3%。可见在喉部直径较小时改变喉部长度对粒径的影响比较大,这说明喉部直径相比于两侧孔径越小,对凝胶汽油的剪切力越大,此时改变剪切时间对液滴粒径产生的影响也越大。
为了研究预剪切管喉部长度对雾化后液滴速度分布的影响,加装喉部直径为2 mm,喉部长度分别为10 mm、20 mm和30 mm的预剪切管在喷射压力为1.00 MPa下进行雾化实验。图5为加装不同喉部长度的预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。由图可知,随着预剪切管喉部长度的增加,雾化撞击的核心区域速度减小,高速区域的面积减小。喉部长度从10mm变化到20 mm时液滴速度稍有下降,而从20 mm变化到30 mm时液滴速度整体大幅下降。
图5 雾化后液滴速度分布随喉部长度变化
Fig.5 Variation of droplet velocity vector distribution with different throat lengths
预剪切管喉部长度对雾化后液滴速度的影响可从两个方面考虑,随着预剪切管喉部长度增长,剪切作用的时间变长:一方面,液流流经喉部时能量损失增加; 另一方面,凝胶汽油表观粘度下降,液滴撞击时的粘滞力减小,能量损失减小。从实验数据可以明显看出,第一方面因素占据了主导地位,雾化后液滴速度随喉部长度的增加总体上呈下降趋势。凝胶汽油的表观粘度下降到一定值时就趋于平稳,因此第二方面因素的补偿作用随着剪切时间的增长越来越不明显,从而导致随着喉部长度增长,液滴速度的整体降幅也增大。
