燃油雾化

在柴油机中，一般应用燃油喷射的方法以生成细小的油滴群，目的是增加蒸发气化面积，提高燃烧率。但燃油喷射是一个十分复杂的过程，其原因有四点:

（1）燃油喷射是一个动态过程。

（2）燃油喷雾不仅受到喷嘴结构形式、喷射压力的影响，而且受到气缸内压力、温度、气流运动的影响，各自的雾化机理并不完全相同。

（3）燃油进入气缸后油束的生成过程又十分复杂，其包括油束雾化，油滴破裂，油滴碰撞和聚合，油束碰壁以及燃油多种成分的蒸发等。

（4）油束的主要部分油滴十分密集，根据观察，从喷嘴出口就形成一个液体核心，其长度根据不同喷射系统在 10 ~ 30 mm 之间，液核的生成与破裂研究的还不够。此外，密集的油滴使激光技术的应用十分困难，因此，描述油滴破裂、聚合等动态过程的试验数据也很少。

测量技术的发展，使得测量喷雾场的速度、温度、密度和浓度也趋于精确，并且为计算模拟提供了较为精确的基础。20 世纪 80 年代中期首先提出高速摄影方法用于研究涡流式柴油机的燃烧过程，在同一个摄影过程中采用两种不同的方法，在同一幅底片上拍摄到同一时刻喷雾过程和火焰扩展过程的两幅图像(图 2)，从而获得包括空气运动对喷雾及燃烧过程影响在内的场信息。

过程与燃烧过程的研究更紧密地联系在一起，为深入地研究柴油机燃油喷雾、混合和燃烧过程提供了有效的研究手段。数值模拟也不断完善，对喷雾的机理和模型提出了各种理论，通过结合大型计算机开发多款 CFD计算软件，建立准确的模型和完善算法是 CFD 所要最求的方向。

燃油雾化CFD 计算法

在内燃机的喷雾过程研究中，多维数值技术得到迅速发展，其中最广泛采用的是离散液滴模型(DDM)，即把燃油看成由若干离散的具有代表性的计算质点组成，在欧拉坐标下描述气相运动，在拉格朗日坐标下描述油滴的运动。在喷雾混合过程中，油滴穿过气场，与之进行品质、动平衡能的交换。

由此可以计算出喷雾粒子在气场中不同时刻的位置、速度以及运动轨迹，也可以绘出气场中的燃油浓度分布。一些更加合理但较复杂的理论模型，如波动分裂雾化理论、多步燃烧反应模型及液柱与壁面碰撞模型，也逐渐进入了理论研究日程，并构成了内燃机喷射过程多维研究中的新进展。模拟缸内工作的多维反应流计算软件主要有 KIVA、STAR-CD 及 FLUENT等。这些方法的计算工作量大且较复杂，需要大型计算机才能完成。

人们在进一步研究新的算法的同时也不断地对已有的方法进行完善和补充。在 KIVA-II的改进中，Reitz 提出了液柱雾化的滴团（blob)算法。国内还开发出 NMS-ICE 计算机软件包，它由 KIVA软件拓展和改进而成。针对柴油机轴针式喷油系统的瞬间燃油喷注贯穿和蒸发进行了深入的数值模拟。针对原 KIVA计算中蒸发量不足的问题，建立了燃

油雾化参数(如油滴直径及其分布，喷雾锥角)的具体算法，并考虑了液滴的二次雾化问题。其中，初始雾化模型的建立把多维模型中缸内工作过程与缸外供油过程密切联系起来，有利于分析喷油系统对喷雾混合过程的影响。

燃油雾化粒子雾场测量法

油喷射是一个多相、瞬态的复杂过程，雾滴具有尺寸小，范围大，数量多的特点，且随时间和空间而变化，因此，定量地测定喷雾场的浓度和粒度分布都是十分难的。国内的研究工作都还没有达到很高的水平，早期的研究大都是在模拟中进行的。近十几年来，各种非接触测量法迅速发展起来，使喷雾研究又向前迈进了一大步，能对实际喷雾场进行多维重现，精确测量粒径、三维速度及喷介质的运动。为了获得雾化品质评价的直接证据及验证液滴尺寸分布函数，需要进行喷雾实验及测量雾化液滴的直径。测量方法主要分为三类：机械测量、电子测量和光学测量。

（1）机械测量法

喷雾粒子的测量，机械测量方法主要有液滴固化法、沉降法、压痕法等。它们在一定程度上获得粒径的结果，但主要用来模拟探索影响喷雾的因素(如喷射压力，喷孔形状等)及其相互关系，属于定性的研究。因此这些方法在原理和结构上都存在较多缺陷，使测量结果不能完全反映被测喷雾场的情况。

（2）电子测量法

电子测量法是基于对液滴所产生电子脉冲的测量和分析，并将其转化成液滴尺寸的分布图谱。该方法属于统计方法，包括电极法、导线法和热线法。其主要优点是易于计数，节省测量时间。共同的问题是：如果电极、导线或热线的安装数目少，则不能代表整个喷雾场的情况；但若安装太多，则会对喷雾场形成干扰。

（3）光学测量法

激光 CT 技术，通过 Radon 变换可以实现从多个角度的二维投影数据重建三维燃油喷雾图像。按光衰减原理和相应的算法可以求出燃油喷雾的相对浓度。由于 CT 技术要求快速、准确地采集喷雾的透射光信号，并且要得到许多角度(连续变化)的投影数据，从而增加了验量的工作量和难度。近来国内又有提出用 ART(迭代重建法的一种)对喷雾进行重建的法，使重建精度有所提高，实现了柴油机喷雾内部构造的可视化和三维相对浓度分布测量。

PIV 技术，PIV 技术利用喷射液滴对入射光产生Mie 氏散射的原理，并以此作为示踪粒子，用照相机对喷雾场进行瞬时拍照。PIV 照片经图象处理可以得到喷雾液滴的速度分布，同时，对 PIV 照片微小区域的液滴图像分析可得到液滴直径的大小及分布等信息。其实验装置可分为成像系统和图像处理系统，如图 3 所示。双脉冲激光器、透镜和相机组成成像系统。图像处理系统包括氮氖激光器、扩束器、空间滤波器及计算机图像系统，用于完成从两次曝光的粒子图像中提取速度场。PW 技术是燃油喷雾研究手段的一大进步，其优点是突破了空间单点测量的局限性，能在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并定量地描述流场。

激光光谱法，其原理是：激光束照射被测雾场，被测点的散射光强与该点的密度和温度有关，接受该散射光并对它进行分析，就可以得到被测点的密度与温度。激光光谱用于柴油机喷雾浓度分布的测量方法有拉曼光谱法、激光诱导荧光光谱法以及相干斯托克斯拉曼光谱法（CARS）。这些方法适用于喷雾液相和气相分离的测量，但还没研究出一种令人十分满意的荧光剂。值得一提的是，CARS 法具有良好的信号强度，能消除荧光干扰，背景光、杂散光的影响也很小，被认为是一种良好的测试手段，能进行完全定量测试。

对液体的雾化机理研究，已得到了几种不同的重要理论。柴油机中的燃油雾化是利用压力喷嘴使燃油从喷口中高速流到环境气体中而破碎成离散液滴。研究表明，在柴油机喷射条件下，不仅有射流破碎过程(称为一次雾化)，而且破碎后的液滴会继续分裂形成细小液雾(称为二次雾化)，喷雾特性最终就是由这两个过程决定的。可以把这个过程看作是在内外力作用共同影响下的液流破裂。

一方面，液体的表面张力迫使它形成一个小球体因为这样才具有最小表面能量；液体的粘性力则试图保持液体原有的形状。另一方面，作用在液体表面的空气动力要促使它分裂。当空气动力之和大于表面张力与粘性力之和时，会发生液体的破裂。由此可见，表面张力和粘度是影响喷雾的主要因素。另外，喷孔的尺寸和形状喷射流体和喷射环境都对雾化状况有一定影响。

液态燃油喷入燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸汽和空气组成的多相混合物的场，我们称之为喷雾场。喷雾场在动力学和热力学上都是瞬变而又不均匀的。为了研究方便，将整个喷雾场划分为不同的区域。燃油喷雾是两相混合物，从气液两相混合作用的角度出发，Bracoc 和 0‘Ruokre 把燃油喷雾场按其离喷嘴的距离由远到近依次划分为极稀薄区、稀薄区、稠密区和翻腾流区四个区域。

燃油雾化极稀薄区

这是喷雾场最外围的部分，由于液滴在空间的分散，且在此过程中大部分品质被蒸发，因而油滴微小且分散，与气体相比较可以忽略其品质和体积。对油滴而言，气体就像一个无穷大的“汇”，尽管油滴与气体之间有质量、动量和能量交换作用，但认为气体不受此交换过程的影响。同时油滴之间的相互作用，如碰撞、变形、聚合、破碎和振动等均可忽略。唯一需要考虑的是如何描述油滴的湍流扩散。从数值模拟的角度来看，对该区只需求解气相方程，可忽略颗粒相。

燃油雾化稀薄区

该区中的油滴的数密度大于第一区，其总质量与气体相比是可观的，但所占体积仍然是微不足道的。这意味着油滴间距离远远大于其直径，故可忽略油滴间直接的相互作用。但“油滴 - 气体 - 油滴”之间的间接作用是不可忽略的。

燃油雾化稠密区

在此区中，油滴在两相混合物中占据了可观的体积，但仍以离散态存在于连续的气相场中。与稀薄区相比，油滴间的距离要小的多，故不能再忽略油滴间的相互作用。主要包括两类效应：碰撞和准碰撞，准碰撞的频率远大于碰撞频率，碰撞的直接后果是油滴的变形、聚合或破碎，从而对喷雾场的平均滴径等参数有重要的影响。

燃油雾化翻腾流区

在紧邻液核的周围地带，液体己经开始分裂。但由于在两相混合物中，液体所占体积分数与气体相当甚至超过之，故燃油不能在气体中弥散开形成油滴，而是以薄片、纤丝或网格的形式存在。翻腾流是雾化过程的第一步产物，研究其特性对揭示雾化机理有重要意义。

发动机喷雾场的结构和雾化机理是一个既具有广泛工程实践意义又具有重要理论价值的研究课题。尽管研究的很有深度，但到问题的彻底解决看来还有相当的距离。为此，从分析可知燃油喷射雾化的发展方向：

（1）从理论、实验和计算三条途径同时人手，进行更深人的探索理论上，突破线性理论的范围与雾化有关的一系列现象，应用流体力学的非线性稳定性理论和两相流理论去得到雾化机理的完善解释。

（2）对柴油机喷雾场这种极短暂而细微的过程（时空分别以 ms 和为 mm 量级），其发展时间和空间分辨率都需要更高的新测试技术。

（3）喷雾研究方法众多，没有一种研究方法是完全令人满意的，每种测试技术在一定范围都有它的优点和缺点，在喷雾研究过程中，我们应充分发挥这些技术各自的长处，根据不同的研究目的选择适宜的研究方法。今后，喷雾测试技术的发展将由定性测量转移到定量测量，由一维、二维测量转移到多维测量。

雾化特性指喷嘴结构、工作参数、雾化剂及雾化介质的物性等因素对喷嘴雾化性能的影响规律。为了全面评价喷嘴雾化性能，提出了多项指标参数，主要包括：雾化细度、雾化均匀度，以及雾化锥角等。

雾化喷嘴雾化细度

雾化后的液滴大小反映了雾化的颗粒细度，是评定雾化质量的重要指标。一般来说，雾滴的颗粒越细，就越易加热、蒸发和燃烧。但是雾化过细也不好，燃料由喷嘴喷出后会马上被气流带走，在某一区域形成过浓的混合物；而在油滴无法射到的地方，混合物的浓度却很低。浓度场的这种分布会缩小燃烧稳定性范围，降低燃烧效率。由于液滴直径的大小是不均匀的，最大和最小有时可相差 50～100 倍，因此只能用液滴平均直径概念来表示雾化细度。人们提出了多种平均直径的计算方法，常用的是质量中间直径（MMD）和索太尔平均直径（SMD 或 D32）。

D32相当于液雾内全部液滴的容积与总表面积的比值，它真实反映了液滴群的蒸发条件，因此对评价雾化质量具有重要意义，被广泛用作燃料喷嘴的重要评价指标。

雾化喷嘴雾化均匀度

雾化均匀度是指燃料雾化后油滴尺寸的均匀程度。雾化均匀度较差，则大液滴数目较多，这对燃烧是不利的。但过分均匀也是不合理的，因为这会使大部分油液滴集中在某一区域，而使燃烧室容积得不到充分利用，也使燃烧稳定性受到影响。人们常用液滴尺寸的分布来描述雾化均匀度。

雾化喷嘴雾化锥角

从喷嘴喷射出来的燃油喷雾炬是呈中空锥体状的，它是由许多悬浮于周围空气中的，或是在其中运动的细小雾滴组成。一般把喷嘴的出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为喷雾锥角。喷雾锥角的大小在很大程度上决定了燃料在燃烧空间的分布情况，应根据燃烧室尺寸和燃料与空气的混合条件来选择喷雾锥角。较大的喷嘴锥角不但可以把燃料充分供应到空气中，而且能够从周围吸入较多的空气，使其进入到喷雾炬中参加燃料的破碎过程。但是过大的锥角会把燃料喷射到火焰管壁上去，造成积炭和不完全燃烧。当然锥角不宜过小，否则会使燃油液滴不能有效地分布到整个燃烧室空间，过多的喷射到缺氧的回流区中，造成与空气的不良混合，发生析炭，产生排气冒烟。此外喷雾锥角的大小还影响到火焰外形的长短，如角度较大，火焰则短而粗；反之，则细而长。

超声雾化法是高速气流以80-100KHz的频率和2-2.5马赫的高速度冲击液态金属流，使其雾化成小液滴，随后凝固成粉末。高速冲击由多个哈曼振动波管产生，哈曼管同心分布在金属液流的四周。每个哈曼管由一个可调节的共振腔组成，当气体通过喷管流出时，气流能引起伯努利(Bernoulli)效应，达到超音速度，并具有超声频率。另外，超声驻波雾化法也可以产生超声雾化。跟普通高压雾化和水雾化的三阶段过程相比，超声雾化金属液在一个阶段就被多个细小射流冲击剪碎成金属雾滴，所得粉末尺寸比较集中，平均尺寸小于20μm，粉末收得率超过90%，由枝晶臂间距估算冷却速度超过106℃/s。超声雾化能量消耗低，比普通雾化节能约1/4。目前生产铝、纯钴、镍和铁、镍基和钴基合金等已达工业生产规模，而对于钛等高熔点合金仍在进一步实验研究之中。已有报导采用超声速层状气流由2000℃的金属和陶瓷熔液制粉获得成功。 2100433B

雾化液流的手段很多，例如高压水流或气流雾化、离心力雾化和超声波雾化等。采用高压水流或气流雾化的方法通常称为二流雾化。水的冷却能力强而且价格便宜,因此水雾化是制取金属或合金粉末最常用的方法。下面以二流等化法制铁粉为例介绍雾化法生产金属粉末的基本过程。