3.3環(huán)境溫度對醇類燃料的噴霧特性的影響

圖4、圖5和圖6分別為甲醇、乙醇和正丁醇在背壓0.1 MPa、噴射壓力20 MPa條件下，噴霧開始后時(shí)刻0.2~1.4 ms內(nèi)，噴霧形態(tài)隨環(huán)境溫度變化的對比圖。

圖4不同環(huán)境溫度和噴霧開始后時(shí)刻下甲醇的噴霧形態(tài)

圖5不同環(huán)境溫度和噴霧開始后時(shí)刻下乙醇的噴霧形態(tài)

圖6不同環(huán)境溫度和噴霧開始后時(shí)刻下正丁醇的噴霧形態(tài)

噴霧開始后1.0 ms時(shí)刻、環(huán)境溫度為20℃時(shí)，3種醇類燃料的噴霧形態(tài)無明顯差異，此時(shí)環(huán)境溫度較低，均未到達(dá)各燃料的沸點(diǎn)，圖像中的各路醇束較為清晰，無明顯蒸發(fā)和互相干涉現(xiàn)象。環(huán)境溫度升高至70℃，此時(shí)已超過甲醇的沸點(diǎn)，溫度的升高使燃料的動(dòng)力黏度和密度減小，表面張力下降，燃料中的分子運(yùn)動(dòng)速度加快，分子間距增大，分子之間的作用力減小，液滴更容易破碎，使醇霧更容易產(chǎn)生。溫度到達(dá)120℃時(shí)，3種燃料在噴射過程中都產(chǎn)生了大量醇霧，各支醇束之間相互干涉、重疊，高溫環(huán)境使噴霧液滴的軸向貫穿動(dòng)量降低，各燃料的整體噴霧長度略有縮短。3種燃料中，甲醇燃料的噴霧形態(tài)所發(fā)生的改變十分明顯，高溫的環(huán)境使甲醇產(chǎn)生大量醇霧，同時(shí)噴霧向軸線收縮，錐角減小的幅度較大。與乙醇、正丁醇相比，甲醇具有更低沸點(diǎn)和較高揮發(fā)性，在噴射過程中液滴受環(huán)境空氣加熱，黏度和表面張力降低，很快發(fā)生破碎并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，形態(tài)的轉(zhuǎn)變使液滴的動(dòng)量減小，從而抑制了噴霧的擴(kuò)散。

噴霧錐角隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看出，醇類燃料的噴霧收斂行為具有相似性，3種燃料的噴霧錐角均隨著環(huán)境溫度升高而減小。其中甲醇噴霧的錐角變化尤其明顯，相比之下，正丁醇在高溫環(huán)境中錐角僅顯示出小幅度變化。這是由于正丁醇的沸點(diǎn)溫度高于甲醇和乙醇，未達(dá)到沸點(diǎn)溫度時(shí)，醇霧形態(tài)變化較小，這也再次凸顯了燃料特性對噴霧收斂程度的影響。

圖7環(huán)境溫度對醇類燃料噴霧錐角的影響

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高溫高壓的環(huán)境對噴霧形態(tài)產(chǎn)生了較大的改變，相比于單種工況，環(huán)境溫度和背壓共同對噴霧形態(tài)有著更復(fù)雜的影響。圖8為3種醇類燃料在不同溫度（20℃、70℃、120℃）、不同背壓（0.1 MPa、0.7 MPa）的環(huán)境下，噴射壓力為20 MPa時(shí)的噴霧軸向貫穿距的變化。

圖8噴射壓力為20 MPa時(shí)不同溫度不同背壓對噴霧貫穿距的影響

隨著環(huán)境壓力和溫度的上升，各燃料的軸向貫穿距縮短。這是因?yàn)楫?dāng)定容彈內(nèi)的氣體壓力與溫度上升時(shí)，燃油液滴的顯熱會(huì)隨之增大，加速了燃油的蒸發(fā)過程，從而導(dǎo)致噴霧在軸向擴(kuò)散受到抑制，使噴霧的軸向貫穿距離縮短。

環(huán)境溫度升高至70℃、120℃時(shí)，正如圖8（b）和圖8（c）呈現(xiàn)出的，正丁醇的噴霧軸向貫穿距高于甲醇和乙醇，這與常溫常壓的環(huán)境條件下完全相反。盡管正丁醇的潛熱較低，但環(huán)境溫度和壓力的升高使甲醇和乙醇的過熱度高于正丁醇，進(jìn)而引發(fā)更高的顯熱，提升了甲醇和乙醇的蒸發(fā)率，導(dǎo)致醇束發(fā)展緩慢。

3個(gè)測試條件中，高溫狀態(tài)下正丁醇的噴霧發(fā)展最為顯著。原因在于正丁醇在高溫環(huán)境中液體蒸發(fā)和液滴破碎程度較小，這得益于正丁醇較大的黏度和表面張力。黏度大的燃料在通過噴孔時(shí)的流動(dòng)性較差，阻力較大，使噴出的液滴顆粒直徑較大且不易破碎，從而在噴射時(shí)保持了良好的穩(wěn)定性。表面張力是液體表面分子相互作用力的體現(xiàn)，決定了液體表面的形狀和張力大小，表面張力越大，液滴越不易分散，減少了與空氣介質(zhì)的接觸面積，從而降低了蒸發(fā)速度，保持了良好的液體噴射長度。正丁醇的這一特性在高溫環(huán)境中為噴霧發(fā)展提供了更多的動(dòng)量，促進(jìn)了噴霧軸向貫穿距的發(fā)展。

4結(jié)論

（1）在噴霧特性分析中，3種燃料的噴霧軸向貫穿距和噴霧面積的變化均隨著噴射壓力的提高而增大，隨環(huán)境壓力的提高而減小；噴霧錐角相比于貫穿距和面積，受噴射壓力的影響不夠顯著，但受環(huán)境條件的影響較大，背壓的增大使錐角減小，環(huán)境溫度的升高也會(huì)使錐角減小。

（2）相同的環(huán)境和噴射條件下，不同醇類燃料噴霧特性的差異大多是由于燃料特性的差異所導(dǎo)致的；燃料的密度、動(dòng)力黏度、表面張力、沸點(diǎn)溫度、汽化潛熱等燃料性質(zhì)是決定噴霧形態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵參數(shù)。

（3）在3種醇類燃料中，正丁醇的動(dòng)力黏度和表面張力較大，在常溫常壓工況下噴霧發(fā)展較慢，但在較高環(huán)境壓力和溫度下噴霧霧化程度較小，這使得正丁醇的醇束長度明顯大于甲醇和乙醇，并在噴霧發(fā)展過程中保持了良好的穩(wěn)定性。