（动力机械及工程专业论文）生物柴油柴油混合燃料喷雾特性研究.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 喷雾技术已经广泛地应用到了人类生产和生活的许多领域。在燃烧设备上，喷雾质 量的优劣将影响点火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布、排气污染等各方面性能。燃 烧技术的进步与喷雾技术密切相关，相互促进，共同提高【1 1 。喷雾质量评价也因为喷雾 的重要性而显得至关重要。理论计算研究可以对更多的影响因素进行更为详尽的研究， 这是试验研究无法取代的。 导师曹建明教授运用最大熵原理和质量、动量守恒定律推导出了喷雾液滴尺寸分布 函数。本文采用高分辨率数码照相机对柴油和生物柴油混合燃料b 0 ( 生物柴油占生物柴 油柴油混合燃料的体积比为o ) 、b 2 4 ( 生物柴油占生物柴油柴油混合燃料的体积比 为2 4 ) 、m b 2 4 ( 生物柴油、乙醇和添加剂占生物柴油柴油混合燃料的体积比为2 4 ， 1 和0 0 1 ) 、b 5 0 ( 生物柴油占生物柴油柴油混合燃料的体积比为5 0 ) 、b 1 0 0 ( 生 物柴油占生物柴油柴油混合燃料的体积比为1 0 0 ) 喷雾特性进行了对比研究。 在此基础之上，本文建立了柴油与生物柴油混合喷雾液滴尺寸分布模型，利用 f o r t r a n 语言编制计算程序，对其尺寸分布进行数值计算并与试验结果做了对比分析，理 论计算结果与试验数据拟合较好。结果表明：随着生物柴油掺混比的增大，燃料粘度增 大，喷雾锥角变小，s a u t e r 平均直径增大。与m b 2 4 相比，由于纯柴油的相对尺寸范围和 发散边界较大，因此其s a u t c r 平均直径l i , b 2 4 混合燃料的略大。由于改制油m b 2 4 中乙醇 的稀释作用，s a u t e r 平均直径最小，雾化质量明显改善。从喷雾液滴尺寸的数目分布可 以看出，所有燃料的曲线峰值均位于1 4 m i t 处，小颗粒液滴较多。随着生物柴油掺混比的 增大，曲线峰值下降，曲线趋势均匀平缓，说明燃料粘度的增大将使雾化油滴的尺寸分 布渐趋均匀。从液滴尺寸的累积体积分布可以看出，随着生物柴油掺混比的增大，到达 某一累积体积的油滴直径增大，说明大颗粒油滴变得较多。 本文就拉格朗日因子对模型的影响进行了初步探索，经过反复尝试发现，在计算柴 油和生物柴油分布时，拉格朗日因子变化系数的初始值分别取1 1 卜1 2 1 时相应的拉格 朗日因子可以很好的收敛。 关键词：柴油生物柴油混合燃料、喷雾、质量评价、尺寸分布 a b s t r a c t a b s t r a c t s p r a yt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h ep r o d u c t i o na n dl i v e l i h o o do ft h ev a s t m a j o r i t yo fm a n k i n da r e a s i nc o m b u s t i o ne q u i p m e n t ，s p r a yw i l la f f e c tt h eq u a l i t yo fi g n i t i o n ， c o m b u s t i o ne f 五c i e n c y , c o m b u s t i o ns t a b i l i t y , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n e x h a u s tp o l l u t i o na n d o t h e ra s p e c t so fp e r f o r m a n c e t h e r ei sc l o s e l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p r a yc o m b u s t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r e s so fc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h e yp r o m o t ee a c ho t h e ri nt h e p r o g r e s s s p r a yq u a l i t ye v a l u a t i o ni st o ov i t a l l yi m p o r t a n tb e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo ft h e s p r a y m o r ei n f l u e n c i n gf a c t o r sc a nb er e s e a r c hi nd e t a i l sb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o t i s w h i c h c a nn o tb er e p l a c e db ye x p e r i m e n t a ls t u d y d r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n dj o i n td r o p l e ts i z ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n a r ed e r i v e db yc a oj i a n m i n gb a s e do nt h em a x i m u me n t r o p yp r i n c i p l e ，t h el a wo f c o n s e r v a t i o no fm a s sa n dt h el a wo fc o n s e r v a t i o no fm o m e n t u m t h ec o m p a r i s o nr e s e a r c h b e t w e e nd i e s e la n dd i e s e l b i o d i e s e l ，b 0 ( b i o d e s e ll i q u i dq u a l i t ya c c o u n t e df o r0p e r c e n to ft h e d i e s e l b i o d i e s e lm i x e dl i q u i d ) ，b 2 4 ( b i o d e s e ll i q u i dq u a l i t ya c c o u n t e df o r2 4p e r c e n to ft h e d i e s e l b i o - d i e s e lm i x e dl i q u i d ) ，m b 2 4 ( b i o d e s e l ，e t h o n a la n da d d t i v el i q u i dq u a l i t ya c c o u n t e d f o r2 4 ，1a n d0 0 1p e r c e n to ft h ed i e s e l b i o d i e s e lm i x e dl i q u i d ) ，8 5 0 ( 8 i o d e s e ll i q u i dq u a l i t y a c c o u n t e df o r5 0p e r c e n to ft h ed i e s e l b i o d i e s e lm i x e dl i q u i d ) b10 0 ( b i o d e s e ll i q u i dq u a l i t y a c c o u n t e df o r10 0p e r c e n to ft h ed i e s e l b i o d i e s e lm i x e dl i q u i d ) ，s p r a y sw a sa n a l y z e db yu s i n g l l i 曲r e s o l v i n gp o w e rd i g i t a lc a m e r a o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ed i e s e la n db i o d i e s es p r a yd r o p l e ts i z e d i s t r i b u t i o nm o d e l a n dt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf i t sw e l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dj o i n td r o p l e ts i z em o d e lf o rd i e s e la n db i o d i e s e li se s t a b l i s h e d t h ec o m p u t a t i o np r o g r a mi sp r o g r a m m e db yf o r t ra nl a n g u a g e t h ep r e d i c t i o no nj o i n t d r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o nf o rd i e s e la n db i o d i e s e li sc o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw i m b i o d i e s e lm i x e dr a t i oi n c r e a s e s ，f u e lv i s c o s i t ye n l a r g e ，s p r a yc o r ea n g l ed e c r e a s e ，s a u t e r m e a nd i a m e t e ri n c r e a s e s a u t e rm e nd i a m e t e ro fp u r ed i e s e li ss l i g h t l yl a r g e rt h a nt h a to f 【b 2 4b e c a u s eo f p u r ed i e s e l s1 a r g e rr e l a t i v es i z er a n g ea n dd i s p e r s i o nb o u n d a r y s a u t e rm e n d i a m e t e ro fm b 2 4i ss m a l l e s tb e c a u s eo fe t h a n o l sd i l u t e d n e s s a n ds p r a yq u a l i t yi si m p r o v e d e v i d e n t l y i tc a nb es e e nt h a ta l lo fc u r v ep e a k so ff u e ld r o p l e ts i z en u m b e rd i s t r i b u t i o ni n v a r i o u sm i x e df u e li sl o c a t e da t14 m i x ，s m a l l e rs i z ed r o p l e t sa r em o r e i tc a na l s ob eo b s e r v e d t l l a tw i t hb i o d i e s e lm i x e dr a t i oi n c r e a s e t h ec u r v ep e a k so fd r o p l e ts i z en u m b e rd i s t r i b u t i o n g od o w n ，a n dt h ec u r v e st e n dt oe v e n i ti si n d i c a t e dt h a tf u e ld r o p l e ts i z en u m b e rd i s t r i b u t i o n i ns p r a yt e n dt ou n i f o r mg r a d u a l l yw i t hf u e lv i s c o s i t yi n c r e a s e s t h er e s u l t sa l s os h o wf r o m d r o p l e tc u m u l a t ev o l u m ed i s t r i b u t i o nt h a tw i t hb i o d i e s e lm i x e dr a t i oi n c r e a s e s t h ed r o p l e t d i a m e t e rw h i c hr e a c hac u r t a i nc u m u l a t ev o l u m ei n c r e a s e a n dl a r g e rd r o p sb e c o m em o r e t h ep a p e ra l s op r i m a r i l yp r o b ei n t ot h ee f f e c to nt h em o d e lf r o mt h ei n i t i a lg u e s so ft h e l a g r a n g ef a c t o r a f t e rr e p e a t e da t t e m p t s ，i tf i n d st h a tl a g r a n g ef a c t o rc o u l db eag o o d c o n v e r g e n c ew h e nt h ei n i t i a lv a l u e so fl a g r a n g ef a c t o rc o e 伍c i e n t sa r e1 17 1 2l f o rt h e i o i n td i s t r i b u t i o no fd i e s e la n db i o d i e s e l k e yw o r d s ：d i e s e l b i o d i e s e lm i x e df u e l ；s p r a y ；c h a r a c t e r i s t i c se v a l u a t i o n ；j o i n td i s t r i b u t i o n o f t h es i z e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互磊 论文知识产权权属声明 2 0 0 8 年11 月2 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 0 0 8 年1 1 月2 日 2 0 0 8 年11 月2 日 长安人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 喷射与雾化是传质传热分析的重要基础。喷雾技术已经广泛地应用到了人类生产和 生活的许多领域，如工、农业生产，交通运输工具，以及人民生活的各个方面。除了人 们熟知的在热能动力装置、工业锅炉、民用燃烧设备燃用液体、气体和固体( 粉料) 燃 料时必须采用喷雾技术外，在非燃烧设备，如喷雾干燥、表面清理和涂装、钢铁冶金、 农业浇灌等装置和设备上也普遍利用了喷雾技术。在燃烧设备上，喷雾质量的优劣将影 响点火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布、排气污染等各方面性能。燃烧技术的进步 与喷雾技术密切相关，相互促进，共同提高。在非燃烧设备上，喷雾质量的优劣将会影 响配套设备和相关产业的生产率及其产品的质量和成本。总之，在大多数的工程应用中， 喷雾的主要目的是为了增强质量和热量的传递。由于喷雾的重要性，它被深入研究了8 0 年以上。 喷雾质量评价也因为喷雾的重要性而显得至关重要。喷雾质量评价对喷嘴设计、加 工质量的检验和改进有着不可或缺的作用。对燃烧装置的各项性能预测和改善非常重 要，如：喷雾液滴尺寸对它的蒸发快慢有很大影响：过大尺寸的液滴碰撞易于形成积炭， 燃烧过程易燃烧不完全和冒烟；液滴尺寸及其分布对点火性能、燃烧组织均带来影响； 各项液滴质量参数的全面了解，对燃烧数值计算提供了十分有价值的原始资料，有利于 提高燃烧数值计算和设计的精确度等。对非燃烧装置的喷嘴选择和与其它部件的匹配也 提供重要的参考，如：实际工业生产中要求不同的喷雾颗粒尺寸范围以及不同类型喷嘴 可以提供的喷雾颗粒尺寸范围都需要对喷雾质量进行评价后才能做出选择；由于喷嘴的 设计和加工中存在一些不确定性因素，使最终加工出来的喷嘴性能难以达到预算值，必 须要对其喷雾质量进行评价。 喷射与雾化作为机械学的分支之一受到国内外普遍重视，它正成为一个国际性的研 究领域。国外许多著名国际学术期刊是专门或部分刊登喷雾方面论文的，许多一流大学 的机械工程系都在从事喷雾方面的基础研究和应用研究工作。勿庸讳言，我国在喷雾领 域的研究与世界先进水平尚有差距。可以说，喷雾学在我国的发展关系到机械学这门经 典学科能否注入新鲜血液与活力及可持续发展的重要因素之一2 1 。 第一章绪论 1 2 喷雾的应用领域及影响喷雾的因素 喷雾是将液体通过喷嘴喷射进入气体介质中，使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过 程。由于液体相对于空气或气体的高速运动，或者由于机械能的施加和喷射装置的旋转 或振动，液体会雾化成各种尺寸范围的小颗粒液滴。 1 2 1 喷雾的应用领域 喷雾的应用十分广泛，可以分为两个大的方面：燃烧设备和非燃烧设备。涉及到日 常生活、工业生产、农业灌溉、消防和动力系统等众多领域，具体有以下几个方面： ( 1 ) 燃烧设备 燃油锅炉、柴油机、汽油机、燃气轮机、飞机发动机和火箭发动机的燃料雾化。在 这些装置中，喷嘴的设计、制造精密度很高，雾化的大量小颗粒燃料液滴能够有效地增 大燃料与助燃剂接触的表面积，使燃料蒸发迅速，充分与助燃剂混合，增强质量和热量 的传递并燃烧完全，减少排放污染。 ( 2 ) 非燃烧设备 1 ) 日常生活：淋浴，花园和草地的浇水，整理发型的发胶和摩丝，灭蚊蝇的喷药 器和空气消毒、清洁器，空气加湿器，清洁街道的洒水车，喷雾作画，喷墨打印机等等； 2 ) 医用：雾化清痰器和挥发性麻醉剂的蒸发等； 3 ) 生产和工艺流程：雾化干燥( 如咖啡和茶叶，药片糖衣，肥皂和清洁剂等) ，雾 化润湿，雾化冷却( 如雾化池、塔、反应器等) ，雾化反应( 如吸收器、烘干器和汽车 烤漆房) ，粉末冶金，表面涂脂( 如环氧树脂、聚脂类等) ，泡沫和乳化剂的制取，汽车 清洗喷头，制衣( 包括表面处理、喷雾印染、纤维和绝缘材料的制作等) ，半导体和计 算机芯片的酸碱蚀刻等等； 4 ) 农业：给果树喷洒农药的喷雾器和农业灌溉等，用喷雾器进行农作物给水要比 放水漫灌节约更多的可贵的水资源，而且农作物的长势良好，这种方法要求雾化液滴的 尺寸不能太小，以便喷射得更远，增大灌溉的覆盖面积； 5 ) 消防：雾化后的水滴能够吸收更多的热量，从而有效地压制火势： 6 ) 沥青雾化铺路( 常表现为非牛顿流体) ； 1 2 2 喷雾的产生途径 喷雾可以由多种途径产生，但不论哪种途径，有几个基本的因素适于所有的雾化过 2 长安大学硕士学位论文 程：( 1 ) 喷嘴内部的液体动力学，它控制着喷嘴内部的流动特性；( 2 ) 圆射流或液膜射 流喷射表面波的发展和气体的扰动作用，它涉及喷射表面波的形成与发展理论和空气动 力学，由此会导致喷射液体碎裂成片、线、大颗粒液滴，直至最终的小颗粒液滴。( 3 ) 喷嘴的几何形状、喷射压力与环境气体背压的差值、气体介质的性质和液体本身的物理 特性，它们对于确定喷雾的形态、锥角、贯穿度、液滴尺寸和速度随时间和空间的分布 至关重要。这些因素并非独立存在，而是相互影响、相辅相成，最终决定了雾化的效果。 喷雾机理的研究一直是喷雾学的难点之一，尚未完善。其物理模型和数学模型的建立要 求研究者具有扎实的流体力学和数学知识。各种边界条件的正确确定和数学推导的严密 性要求很高，有时甚至需要反复研讨才会有所进展【1 1 。 1 2 3 喷雾的影响因素 影响雾化的因素很多，有喷嘴结构、喷油压力、介质性质、喷孔直径、燃油品质以 及环境温度等【3 t4 ，5 ，6 7 1 。 ( 1 ) 喷嘴结构 喷嘴结构不同，引起油束形成的内部扰动也不同，从而产生不同形式的油束。在喷 油压力和介质压力不变及喷孔总的截面积不变的条件下，减小喷孔直径，燃油流出喷孔 时受到更大的节流，在喷孔内扰动就增加，液滴直径减小，小颗粒液滴数目增多，雾化 质量提高。 ( 2 ) 喷油压力 燃油的喷油压力越大，则燃油流出的初速度就越大，在喷孔中燃油扰动程度及流出 喷孔后所受到的环境气体的阻力也越大，液滴容易碎裂，所以液滴变小，小直径液滴所 占的体积百分比增大，即雾化细微度变好，雾化质量提高。但是随着喷射压力增大，针 阀落座会产生冲击，损坏喷嘴。因此从雾化及喷嘴寿命两个方面考虑需要一个合适的喷 射压力。 ( 3 ) 燃油品质 燃油粘度增大，雾化质量变差，贯穿度增加，液滴直径增大。 ( 4 ) 环境气体压力 环境气体的背压不同，对喷射初期的油束影响不大。但环境气体的背压增大，会使 贯穿距离减小。这是因为燃料刚离开喷孔时的速度是相近的，在初期阶段，油束尚未碎 裂和分散，和气体介质的接触面积很小。但背压大的环境气体具有大的密度，和喷雾液 第一章绪论 滴间的动量交换进行得快，贯穿速度衰减快，贯穿距离减小。 ( 5 ) 环境气体温度 环境气体温度提高，液体受热蒸发，蒸发使大颗粒液滴尺寸将变小，小颗粒液滴成 为气体。 1 2 4 喷嘴类型及其特点 根据形状和喷射的特点，喷嘴可以分成许多类型，每种喷嘴都有它特定的用途和雾 化的特点。 最典型的喷嘴是平孔喷嘴，它广泛地应用于汽车、飞机和火箭发动机的燃烧室中。 平孔喷嘴所形成的圆射流在很高的喷射压力下高速喷出，受气流的扰动作用而碎裂。 r a y l e i g h 【8 】提出，只要有标度在接近圆射流直径两倍的气流扰动就会导致圆射流的碎裂； 而湍流圆射流能够在没有任何外力作用的情况下，仅仅依靠其本身的湍流脉动就会碎 裂。一旦液体离开喷嘴，喷嘴壁面就不再控制圆射流，液体将主要受本身表面张力的直 接影响。当液体克服了自身的表面张力时，圆射流就会碎裂。液体在形成小的片、线、 或颗粒液滴情况下达到新的平衡，一旦液体由于本身或气体的扰动而再次克服表面张力 时，就会进一步碎裂成更加细小的颗粒。液体的粘度抑制圆射流不稳定性的增长、推迟 液体碎裂的进程，使雾化发生在气、液相对速度较低的下游区域。在大多数情况下，液 体的湍流、喷嘴的空腔、环境气体密度的增大、和气体动力作用都对雾化有利。能够产 生液膜射流的喷嘴使液体雾化，并使液、气充分混合。 平面液膜射流通常是由高压液体通过一个狭缝所产生，如扇形喷嘴，它应用于制衣 工业和小型环状燃气轮机燃烧室中。 环状液膜射流是由高压液体通过一个环形狭缝产生，如压力喷嘴中的轴针式喷嘴和 喷气喷嘴中的预膜喷嘴，它们分别应用于柴油机和燃气轮机中；或者通过一个转盘或转 杯所产生，分别称为转盘喷嘴和转杯喷嘴，应用于雾化干燥、雾化冷却和农业灌溉。 以上这些喷嘴要求一定的喷射压力或旋转离心力，以便产生一定的喷射速度。液膜 射流一旦形成，其最初的液体动力稳定性就会被空气动力的扰动所破坏。随着液膜射流 远离喷嘴的扩展，液膜射流的厚度会逐渐增大，使之碎裂成液线及最终的液滴。如果喷 射压力足够大，液体在喷嘴的出口处就会雾化成细小颗粒，而没有线状过渡区。除此之 外，液膜射流的初始厚度、与环境气体的相对速度、液体的粘性和表面张力也是决定雾 化液滴尺寸范围和平均直径的重要因素。 4 长安大学硕士学位论文 喷气喷嘴喷射的液体与环境气体之间有很高的相对速度，液体运动速度较慢，而喷 射的空气速度却很快，流量也大。其基本机理是低压喷嘴将低粘度的液体随高速气流喷 出，液膜射流的表面波由于高速喷射气流的扰动而碎裂、雾化。 1 3 喷雾的研究现状和发展 雾化可以认为是在内、外力的作用下，液体的碎裂过程。表面张力将促使液滴成为 球形，因为球形液滴所需要的表面能是最小的；液体的粘性也会抵抗液滴几何形状的任 何变化而使之趋于稳定。另一方面，湍流的径向速度分量和作用于液体表面的空气动力 会促使其碎裂。一旦外部作用力超过了表面张力，碎裂就会发生。如果喷射压力不是足 够高，连续的圆射流或液膜射流的初级碎裂会形成液片、线及许多大颗粒的液滴，但该 过程是不稳定的。若有更进一步的碎裂发生，才会形成大量的细小液滴。在这种情况下， 雾化形成的最终液滴尺寸将不仅取决于初级雾化所形成的大颗粒液滴尺寸，还取决于二 级雾化的碎裂作用。 1 3 1 圆射流的碎裂 喷嘴喷射出的实芯液柱称为液体圆射流。如孔式喷嘴的喷雾，它是车辆、锅炉、航 空航天等载运工具的燃烧室中喷雾的主要形式之一，也是燃烧过程的首要环节。当圆射 流以连续液体的形式从喷嘴喷出时，受外界气体的扰动作用，在其表面会形成一定模式 的振动波。表面波的振幅将逐渐扩大，分裂成为液片和大颗粒液滴。 由于圆射流雾化的重要性，其不稳定性和碎裂过程在过去的几十年中一直受到流体 与燃烧学界的普遍关注【9 1 。最早的表面波模式由w e b e r t l o 】提出，他研究了低速粘性和非 粘性圆射流受气液交界面空气动力作用而形成的不稳定模型，但非常笼统。h a e n l e i n i n 】 进一步将圆射流的表面波模式分为四种 ( 1 ) 圆射流在空气动力的作用很小的情况下，其表面波成为对称扰动模式，称为 对称波型。其碎裂时间t 。仅与喷嘴直径d 。有关。对于非粘性圆射流，t 。o c 以一：对于粘 性圆射流，t 6o cd o 。 ( 2 ) 随着圆射流速度的提高，周围气体的动力作用不可忽略。 ( 3 ) 圆射流由于气体的扰动作用而成为非对称波型。 ( 4 ) 高速圆射流在喷嘴出口附近完全碎裂、雾化，与周围气体介质混合。 这四种模式并无明确的界限，它是一个随圆射流速度增大而逐渐过渡的过程。 5 第一章绪论 o h n e s o r g e1 1 2 1 提出了圆射流碎裂与雷诺数尺p 有关的三种模式 ( 1 ) 在低雷诺数下，圆射流碎裂成几乎同样大小的球形液滴。 ( 2 ) 在中雷诺数下，圆射流的振动随空气阻力的增大而增大，直到振动使圆射流 完全碎裂，所产生的液滴尺寸范围较大。 ( 3 ) 在高雷诺数下，圆射流在喷嘴出口附近碎裂，雾化成大量的细小液滴。 作为雾化模式，w e b e r ，h a e n l e i n 和o h n e s o r g e 的探讨虽在一定程度上反映了雾化 的特点，但并没有联系起来考虑。根据线性稳定性理论，对称和非对称波型仅是当气液 交界面的阶数，l = 0 、相位角p = 瘌力= 1 、9 = 0 时的特例，它基本能够代表大多数柱形 圆射流的雾化情况。随后，s t e r l i n g 和s l e i c h e r t l 3 】深入研究了空气动力对位于运动气流中 圆射流的影响。他们的研究表明，圆射流喷射进入气体介质中的不稳定性有其规则可循， 并逐步形成了喷雾的理论体系。对于液体碎裂机理的研究存在不同的解释，如湍流扰动 说、空穴扰动说、边界突变说和压力振荡说等，但从目前的情况看，上述理论都只能对 实验中所观察到的某一现象作出解释，而不能全面解决问题，液体表面波不稳定碎裂机 理是液体碎裂机理研究中最成功的理论。 r a y l e i g h 【8 】研究了低速非粘性圆射流的碎裂机理，他认为从孔式喷嘴中喷射出的圆 射流要受到周围气体的扰动。并最先提出了最大表面波增长率( 又称为支配表面波增长 率d o m i n a n tw a v eg r o w t hr a t e ) 的概念。他得到了低速圆射流碎裂的大颗粒液滴直径与 未经扰动的圆射流直径的关系。认为大颗粒液滴的尺寸均匀一致，间隔大致相等。这一 结论与后人的理论研究及实验结果基本相符。w e b e r 1 0 】将低速圆射流的稳定性理论扩展 到粘性流体。他认为有一个最小的表面波长k 和最有可能导致圆射流碎裂成为液滴的 表面波长k 。当喷嘴出1 2 1 附近的初始扰动表面波长小于k 时，受表面张力作用，圆 射流的扰动渐缓；当初始扰动波长大于k 时，扰动波振幅增大，并最终达到九，导致 圆射流碎裂。w e b e r 的另一个贡献是，他提出了对称扰动圆射流和非对称扰动圆射流的 基本模式，但对于形成这种扰动的机理及更细致的划分则没有涉及。之后，k e l l e r l l 4 】、 r e i t z 15 1 、l e f e b v r e 16 1 、l i t l 7 1 8 1 、和史绍熙【1 9 2 7 】等众多学者应用线性稳定性理论( 或称为 线性不稳定性理论) 对圆射流的雾化机理进行了深入的研究。线性稳定性理论是以气、 液体质量、动量守恒为基础，代入边界条件，考虑到气液体速度、密度、气体可压缩性 及液体的表面张力和粘性影响，从而得到色散关系式。它是一个复数指数方程，其中表 面波增长率随表面波数k 或表面波长九( k = 2 万兄) 的变化关系是隐含给出的。由于色 6 长安大学硕士学位论文 散关系式很复杂，无法得到其解析解，故应用m u l l e r 方法【2 8 】可求得方程的数值解。l i 根据圆射流雾化的液、气相质量和动量守恒的纳维斯托克斯方程，最先运用线性稳定 性理论得出时间模式下粘性圆射流喷射进入不可压缩气体介质中的色散关系式，因此是 国际公认的运用线性稳定性理论分析液体射流不稳定性的先驱。研究步骤以表面波增长 率随时间t 变化的时间模式( t e m p o r a l ) ，随位移工变化的空间模式( c o n v e t i v e ) 和随 时间、位移两者变化的时空模式( a b s o l u t e ) 逐步展开。 对圆射流和液膜射流液体碎裂雾化机理的研究还处于积累发展阶段，最终目标是采 用非线性稳定性理论，得到基于雷诺方程的非平行圆射流或液膜射流喷射进入可压缩气 流中的时空模型。目前所进行的线性稳定性理论分析是建立在纳维一斯托克斯方程基础 上的，即模型将不考虑雷诺应力的影响，这样方程组就是封闭的，不需要补充模型。在 推导纳维一斯托克斯方程时，并没有限制流动状态是层流还是湍流，因而它对层流和湍 流同样成立【2 9 1 。线性稳定性理论对于环境气流马赫数m a l 的超声速强湍流，就要基于雷诺方程，采 用非线性稳定性理论，并考虑激波和气体的可压缩性进行分析，研究接受性问题，其数 值解还有可能多支分叉，牵涉混沌问题。虽然目前已有基于雷诺方程的研究，但讨论的 是定常流进入静止气体环境中的简单模型。不稳定的时空模式( a b s o l u t e ) 可以依据 g a s t e r 变换与时间模式相关。非线性稳定性理论、雷诺方程和时空模式每一因素的加入 都将使色散关系式的推导极其复杂，也是流体力学学科的难题之一，前进一步都是难能 可贵的。对色散关系式计算和分析的一个主要目的是确定液体射流的最不稳定频率或最 不稳定波数，也就是最大表面波增长率所对应的支配频率( d o m i n a n tw a v ef r e q u e n c y ) 或支配波数( d o m i n a n tw a v en u m b e r ) ，由此可以确定外界激励频率，而外界激励频率 引起的共振对液体碎裂和增强雾化有显著的促进作用【2 7 】。 1 3 2 液膜射流的碎裂 孔式喷嘴喷射出截面呈圆形的柱状射流。而轴针式喷嘴则可形成截面呈环状的锥形 液膜射流。除此之外，液膜射流的雾化还与扇形喷嘴、转盘喷嘴、转杯喷嘴、平流喷嘴 和预膜喷嘴的设计有关。这些喷嘴广泛应用于制衣、雾化干燥、雾化冷却、农业灌溉、 柴油机、燃气轮机和航天推进器等领域。当液膜射流从喷嘴中喷出时，其后期的发展主 要受液体流动特性、气液体物理性质和流动条件的影响。液膜射流受外界气体的扰动作 用而在其表面形成振动波，波幅逐渐增大并在液膜射流的顶端碎裂成线、带或环状。这 7 第一章绪论 个过程是液膜射流的初级雾化。液体线、带或环再度碎裂成大量细小液滴的过程为液膜 射流的二级雾化。 液膜射流雾化过程的研究同样也一直受到流体与燃烧学界的普遍关注，是当今研究 的热门课题【3 0 】。s q u i r e 3 1 1 、h a g e r t y 和s h e a 3 2 1 研究了介于不可压缩的稳定气体介质中的 非粘性液膜射流的不稳定性。l e f e b v r e t l6 1 、l i t 3 3 - 3 5 1 、l i n t 3 6 1 、m a n s o u r t 3 7 1 、h a s h i m o t o 3 引、 杜青 3 9 - 4 1 】、以及导师曹建明教授【4 2 。4 5 】也对液膜射流的碎裂机理进行了大量的理论和实验 研究工作。 对于平面液膜的碎裂过程研究，“的主要贡献在于考虑了液体粘性的影响，并应用 线性稳定性理论分析液膜射流两侧不同气流速度下的碎裂。从目前的国际进展来看，有 三个较具代表性的成果：l i n 应用线性稳定性理论研究了粘性平面液膜进入不可压缩气 流中的时空模式；j a z a y e r i l 4 6 】进行了非粘性平面液膜进入不可压缩气流中时间模式的非 线性稳定性分析，并首先提出了液膜表面扰动的和振学概念；导师曹建明教授应用线性 稳定性理论研究了粘性平面液膜进入可压缩亚声速气流中的时间模式，并进行了液膜两 侧不同气流速度下的不稳定分析。 环状液膜射流受环境气体的扰动作用，在喷嘴出口处就产生了波动，其碎裂长度比 平面液膜射流的短。当气液体相对速度较小时，液膜射流在顶端碎裂形成环形断裂带， 随后再碎裂成大量的细小液滴。r a y l e i g h 认为，环形断裂带的厚度就等于液膜射流碎裂 时顶端的厚度，宽度等于一个波长。他还提出了一个液滴平均直径的经验公式。h a g e r t y 和s h e a 认为，当液膜射流内外表面的表面波在同一相位时，形成非对称波型，否则为 任意波型。同时，他们和f r a s e r 提出，任意波型对液体碎裂过程的影响可以忽略不计， 因为其不稳定度总是小于非对称波型。导师曹建明教授根据环状液膜射流雾化的液、气 相质量和动量守恒的纳维斯托克斯方程，运用线性稳定性理论得出时间模式下粘性环 状液膜射流喷射进入内外环流速不等的不可压缩气体介质中的色散关系式。结果表明非 对称波型的表面波增长率总是大于其它波型，并在环状液膜射流的碎裂中起主导作用， 这一点与h a g e r t y 、s h e a 和f r a s e r 的结论完全一致，但其它模型并不能简单地忽略不计。 s h e a 、s q u i r e 、f r a s e r l 4 7 4 8 】和d o m b r o w s k i 4 9 t5 0 】对扇形液膜射流的碎裂过程进行了研 究。扇形液膜射流在最大表面波增长率下在顶端裂开，形成带状断裂带，其宽度为液膜 射流碎裂时的半个波长( 屯2 ) 。断裂带随后在液体表面张力的作用下聚集成直径为d ， 的棒或线状，再碎裂成大量的液滴。由于扇形液膜射流的应用相对较少，对它的研究也 长安大学硕士学位论文 就较少，目前还没有见到运用线性稳定性理论进行研究的报道。 1 4 生物柴油技术现状 柴油作为一种重要的石油连炼制产品，在各国燃料结构中占有较高的份额，已成为 重要的动力燃料。随着世界范围内车辆柴油化趋势的加快，未来柴油的需求量会愈来愈 大，而石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，大大促进了世界各国加快柴油替代 燃料的开发步伐，尤其是进入了2 0 世纪9 0 年代，生物柴油以其优越的环保性能受到了 各国的重视。 生物柴油是生物质能的一种形式，其主要成份为通过动植物油脂转化而来的高级脂 肪酸的低碳烷基酯混合物，以其物化性能与石化柴油相近，并可以直接代替石化柴油或 与普通石化柴油以任意比例互溶代替石化柴油使用而得名。由于得自于动植物油脂的生 物柴油与得自于石油的石化柴油相比，生物柴油具有环境友好、在使用过程中降低有害 废弃物排放等多方面环保优点，加之占世界能源消耗量4 0 的石油因资源量极为有限， 造成原油和燃料油市场价格巨幅波动，生物柴油作为一种优质生物质可再生能源，自二 十世纪九十年代以来在世界范围内形成了研究开发热潮，并已经形成快速发展的产业。 我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一，对能源的需求量长期持续高速增长，在现 在的能源消耗构成中，除煤炭能够满足自给外，石油和天然气供给远远满足不了经济发 展的需要，特别是石油，我国2 0 0 3 年消耗石油2 5 亿吨，从国际市场上进口高达9 ，1 0 0 万吨，国际依存度高达3 6 4 ，从各种渠道得到的数据表明，2 0 0 4 年我国石油进口量将 突破亿吨大关，达到1 2 亿吨，石油的国际依存度也将突破4 0 。国际石油价格的高企， 不仅增加了购买石油的外汇消耗，而且给我国经济的稳定发展造成不容忽视的负面影 响。 在这样的背景情况下，开展可再生清洁能源研究对我国不仅具有非常重要的现实意 义，同时还具有非常重要的战略意义。为此我国有相当一些科研人员和研究机构开展了 这方面的研究工作，国家多年来也在各类政府资助的科研项目中予以立项和经费支持， 取得了一大批具有价值的科研成果。 生物柴油经过多年的研究和发展，其生产技术和使用技术已经进展到相当的深度。 早期利用油脂高温裂解生产汽油、柴油的技术，因转化率低、能耗高、经济性差而淘汰， 现在生物柴油生产技术主要可以归结为两个方面：一是物理法生物柴油生产技术：一是 化学法生物柴油生产技术。 9 第一章绪论 1 4 1 物理法生物柴油生产方法 在物理法生物柴油生产技术方面，主要是利用了动植物油脂具有高能量密度和可燃 烧的特性用于柴油代用燃料。由于动植物油脂具有粘度较高的特点，为了使其能够用于 内燃机燃烧，一种方法是将植物油与石化柴油直接混合用于柴油代用燃料。a n l a n 8 等在 1 9 8 3 年将大豆油与2 号柴油进行混合，然后在直接喷射的涡轮发动机上试验，结果表明， 大豆油与2 号柴油以l ：2 的比例可以得到很好地混合，降低了燃料油的黏度，并可直接 用于农用机械的替代燃料。通常采用植物油与石化柴油5 - 3 0 的混合比，其性能与2 号石油柴油的性能很接近。另一种方法是将动植物油制成微乳液，来解决动植物油的黏 度高的问题。g e o r i n g 等用乙醇水溶液与大豆油制成微乳液，z i e j e w s k i 等用冬化葵花籽 油、甲醇、l 一丁醇制成乳状液，n e u r n a 等用表面活性剂( 主要成分为豆油皂质、十二 烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇胺) 、助表面活性剂( 主要成分为乙基、丙基、异戊基醇) 、水、 石化柴油和大豆油制成可替代柴油的微乳液。我国江苏理工大学与德国e l s b e t t 公司 合作，成功地开发了燃烧植物油的小缸径高速直喷内燃机，并在开发的车用内燃机上开 展了用植物油做燃料的应用研究，成功地燃烧多种植物油。 1 4 2 化学生物柴油生产方法 与物理方法不改变油脂组成和性质不同，化学法生物柴油技术就是将动植物油脂进 行化学转化，改变其分子结构，使主要组成为脂肪酸甘油酯的油脂转化成为分子量仅为 其三分之一的脂肪酸低碳烷基酯，使其从根本上改善流动性和粘度，适合用作柴油内燃 机的燃料。酯化和酯交换是生物柴油的主要生产方法，即用( 含或不含游离脂肪酸) 的 动植物油脂和甲醇等低碳一元醇( 通常为c 1 4 醇) 进行酯化或转酯化反应，生成相应 的脂肪酸低碳烷基酯，再经分离甘油、水洗、干燥等适当后处理即得生物柴油。通过化 学转化得到的脂肪酸低碳烷基酯完全具有石化柴油几乎相同的流动性和粘度范围，同时 具有与石化柴油的完全互溶性，是一种良好的柴油内燃机动力燃料。生物柴油化学生产 技术经过多年发展，已经形成比较完备的技术体系和方法，其技术根本点就在于采用不 同的酯化或转酯化催化剂、工艺技术条件等将动植物油脂转化成生物柴油，在这些方面 已有大面积的专利技术覆盖和公开发表的大量研究报告，涵盖了化学催化剂法、生物酶 催化剂法、无催化剂法( 在高温高压下进行) 、常压法、加压法等生物柴油生产技术的 各个方面，其生产原料包括动植物油脂和废弃食用油脂。在这些技术中化学方法的常压 连续转酯化和加压连续转酯化等生物柴油生产技术，已在欧美等发达国家形成大规模工 l o 长安大学硕士学位论文 业化生产，代表了当今主流生物柴油技术，而且技术仍在不断发展。 1 4 3 生物柴油使用技术 生物柴油使用技术与产业密切相关，使用技术的研究是技术走向产业化发展的必要 前提条件，而产业发展又促进使用技术规范和标准的建立和完善。 物理方法生产的生物柴油因为是专门针对某种柴油机来开发或者改变柴油内燃机 结构使其适合于使用生物柴油，因此物理法生物柴油均是直接使用，其使用技术本身就 包含在生产技术之中。但物理方法生产的生物柴油是一种分散的多相体系，一直存在稳 定性的问题，而且其物化性能指标难以控制。因此物理法生物柴油在生物柴油产业中所 占比重很小。 化学法生产的生物柴油完全改变了物理法生物柴油的物性状况，成为完全均匀的液 态产品，粘度也得到大幅度降低，而且能与石化柴油以任意比互溶形成单一的均相体系， 其使用就方便多了。其使用技术更多地体现在生物柴油产品标准和规范上。美国更多地 使用b 2 0 混合生物柴油，即将生物柴油以2 0