柴油機射流碎裂的影響因素

李艷霞，張鑫（長安大學，陜西 西安 710064）

柴油機射流碎裂的影響因素

李艷霞，張鑫
（長安大學，陜西 西安 710064）

液體射流霧化質量對改善內燃機缸內的燃燒過程非常重要，因此柴油噴霧射流碎裂影響因素的研究在內燃機領域中具有重要的使用價值和學術意義。液膜碎裂的影響因素除了自身的物理因素（如粘度、表面張力、雷諾數）外，還有一些其他因素，如液體射流的溫度、射流速度和噴孔幾何形狀等，因此研究液體碎裂過程應全面考慮這些因素對它的影響。

霧化；射流碎裂；影響因素

CLC NO.:TK 421Docum ent Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-30-03

引言

在燃油噴射式的內燃機中，燃燒是最重要的一個環節，當燃料霧化的非常好的時候才能提高燃燒效率，進而使發動機的動力性和經濟性得以改善，達到降低排放的指標；在非燃燒設備上，噴霧質量的優劣將會影響配套設備和相關產業的生產效率及其產品的質量和成本[1]。燃料的燃燒過程是當今學術界研究的主要課題之一，如果要從根本上提高發動機的動力性和經濟性而且更有效地控制排放，只有通過有效地控制燃燒過程。燃燒技術的進步與噴霧技術的發展相關，兩者相互促進，所以對噴霧進行深入的研究相當關鍵。霧化可以認為是在內、外力的作用下，液體的碎裂過程。研究液體的碎裂過程必須首先了解影響液膜碎裂的因素。

1、物理因素對液膜碎裂的影響

1.1 粘度對液膜碎裂的影響

粘性是最重要的液體性質。低粘度的液膜非常容易碎裂成液片，而高粘度液膜則更易碎裂成液線。低粘度液膜碎裂形成的小顆粒液滴多。雖然粘度對噴霧影響程度不如表面張力，但是它的影響不僅體現在霧化液滴的尺寸分布，而且還有液體在噴嘴內部的流動速率和霧化的模式。液體粘度的增加將使雷諾數Re減小，減緩湍流的發展，阻止噴霧圓射流或液膜射流的碎裂，使霧化液滴的尺寸增大。液體粘度降低將使雷諾數Re增大，加快湍流的發展，促進噴霧圓射流或液膜射流的碎裂，使霧化液滴的尺寸減小。

除此之外，液體粘性對噴嘴內部流動的影響是非常復雜的。對于粘度低的液體，粘度的增大會使流動速率增加，在這種情況下，噴嘴流通面積對流動速率的影響是很大的。不過，對于粘度高的液體，流動速率通常會隨著液體粘度的增大而減小。液體粘度的增大會使壓力旋轉噴嘴的噴霧錐角變窄，當液體粘度很高時，錐形液束可能演變成一條長長的直線。對于燃油來講，液體的粘性通常會影響霧化的質量，使之變差。

1.2 表面張力對液膜碎裂的影響

噴霧使連續的液體碎裂成為細小的液滴，液滴的穩定將取決于液體的表面張力，它阻止液滴表面的變形，霧化所需要的最小能量就等于表面張力乘以液體表面積的增加量。因此，無論噴霧發生在何種條件下，表面張力都是霧化過程中十分重要的液體物理性質。

1.3 雷諾數對液膜碎裂的影響

Ohnesorge[2]提出了圓柱液體碎裂與雷諾數Re有關的三種模式：當低雷諾數低時，圓柱液體碎裂成幾乎同樣大小的球形液滴。這種模式被稱為圓柱液體碎裂的瑞利模式。中雷諾數下，圓柱液體的振動隨空氣阻力的增大而增大，直到振動使圓柱液體完全碎裂，這種模式成為圓柱液體碎裂的斷續模式。當雷諾數高時，圓柱液體在噴嘴出口附近碎裂，霧化成大量的細小液滴，這種模式稱為霧化模式

1.4 密度對液膜碎裂的影響

壓力噴嘴的質量流動率將隨著液體密度的變化而改變，但是如果沒有液體其他的物理性質和外部環境的影響，它的密度將很難改變。由于液體的可壓縮性極小，密度變化不大，所以在大多數情況下液體密度本身對霧化的影響很小。由于氣體的可壓縮性較大，所以氣液密度比對霧化過程的影響就不能忽略了。

2、外界因素對液膜碎裂的影響

2.1 溫度對液膜碎裂的影響[3]

溫度越高，燃油的表面張力和粘性下降，We主要受射流液體的表面張力和射流速度的影響，雷諾數主要受射流液體的粘度和射流速度的影響。在非加熱條件下的射流碎裂機理中，不考慮液體表面張力和粘度的變化。而在加熱條件下，射流液體表面張力和粘度的變化就不能忽視了。因此當溫度升高時，燃油的表面粘力和粘性下降，因此韋伯數We減少和雷諾數Re增大，導致噴霧射流擾動波的增長。環境介質溫度增高，噴霧射流表面溫度就增高，擾動波的增長率就增大，噴霧就越容易破碎和霧化。

2.2 速度對液膜碎裂的影響

液體的速度增高，周圍氣體對液體的擾動作用越大，碎裂長度和碎裂時間越短，液體的細小顆粒會越多。液體的碎裂長度和時間與液體的速度密切相關。隨著噴射速度的增大，當液體處于層流狀態時，液體的碎裂長度隨噴射速度的增大而呈直線增大；當液體處于湍流狀態和霧化狀態時，液體的碎裂長度極小，而且隨著速度的增加，碎裂長度會越來越小。

2.3 噴嘴幾何形狀對液膜碎裂的影響

在研究圓射流時，采用噴口的長徑比來定義不同噴嘴的幾何形狀。在水射流進入常壓空氣的實驗中，發現湍流速度在50m/s以下時，碎裂長度在20-60mm的范圍內隨流速的增大而增大，而在50-200m/s的流速下，碎裂長度則隨流速的增加而減小。當噴口的長徑比從4增大到20時，碎裂長度逐漸減??；而當長徑比從20增大到50時，碎裂長度又逐漸增大。

3、總結

本文主要對影響液膜碎裂物理和其他環境因素進行了闡述。這些因素對噴霧的研究至關重要，要想研究噴霧碎裂機理，首先必須了解這些因素是如何影響液膜碎裂的。本篇論文為噴霧的研究提供了一些理論基礎。

[1] 程前.柴油機與LPG/柴油雙燃料混合噴射發動機的特性對比研究[D]. 西安, 長安大學碩士學位論文, 2003. 4.

[2] Ohnesorge W. Formation of drops by nozzles and the breakup of liquid jets. Z. Angew. Math. Mech.1936, 16:355-358.

[3] 丁寧，杜清，等加熱條件下液膜射流破碎尺度影響因素研究.內燃機學報.2003,1:53-56.

[4] 馬志義.噴霧中液滴破裂機理的研究.車用發動機，1997，（4）：11-14.

Loca lMotors公布3D打印設計賽獲獎車型

LocalMotors print design contest w inners announced 3D models

Local Motors公司宣布了發起“3D打印汽車設計挑戰賽”的通知，此次活動獲獎的汽車設計將被打印，并在“IM TS制造”展上展示，“IMTS制造”- 2014年芝加哥國際制造技術展覽會，將在2014年9月8日至13日在伊利諾伊州舉行。

為其六個星期的挑戰賽從4月13日開始，超過1萬美元的獎金將頒發給各種項目的獲獎者，獲獎項目獎在5月30公布。

2014年1 月，Local Motors和美國能源部的橡樹嶺國家實驗室（ORNL ）簽署了一項新的伙伴關系，雙方共同開發并交付世界上第一個可生產的3D打印的汽車。

Local Motors將用橡樹嶺國家實驗室開發的増/減材混合制造機器，打印全尺寸全功能電動汽車。

本次3D打印汽車設計挑戰賽就是尋求在方法上的創新，而這種創新把增材制造與減材制造有機地組合，用在汽車的設計和開發上面。

Factors engine jet fragmentation

Li Yanxia, Zhang Xin
（Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

The of quality Liquid jet atomization is very important for improving the combustion process in the cylinder of combustion engine, so the research of influence factor of the diesel spray jet has important value and academic significance in the field of combustion engine .The influence factors of the breakup of the liquid are not only contain their own physical factors (such as viscosity, surface tension, Reynolds number), but also contain some other factors, such as the temperature of the liquid jet, jet velocity and geometry of the nozzle and so on, so The research of the process liquid breakup should fully consider the impact of these factors on it.

Atom ization；liquid breakup；The in fluence factor

TK421

A

1671-7988(2014)06-30-03

李艷霞，碩士研究生，就讀于長安大學。