高溫高壓環(huán)境下煤油液滴蒸發(fā)過程實驗研究

劉 松，聶萬勝，蘇凌宇，石天一，劉 瑜

（中國人民解放軍裝備學院，北京101416）

高溫高壓環(huán)境下煤油液滴蒸發(fā)過程實驗研究

劉 松，聶萬勝，蘇凌宇，石天一，劉 瑜

（中國人民解放軍裝備學院，北京101416）

應用高速攝影系統和圖像處理技術研究了煤油液滴在溫度473～773 K、壓力1.0～4.0 MPa靜止氣體環(huán)境下的蒸發(fā)過程，得到了環(huán)境溫度與環(huán)境壓力對煤油液滴特性的影響規(guī)律。實驗結果表明：環(huán)境溫度低于573 K時，煤油液滴蒸發(fā)D2曲線不符合d2定律；環(huán)境溫度高于673 K低于773 K時，液滴直徑變化與d2定律吻合。環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響與環(huán)境溫度密切相關，環(huán)境溫度低于473 K時，隨著環(huán)境壓力的升高，液滴蒸發(fā)速率變慢；環(huán)境溫度高于673 K時，隨著環(huán)境壓力的升高液滴蒸發(fā)速率加快。

煤油液滴；蒸發(fā)特性；實驗研究

0 引言

煤油作為動力燃料燃燒釋放能量產生動力，需要先后經過霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等過程，其中蒸發(fā)過程主要以液滴形態(tài)進行，因此研究煤油液滴的蒸發(fā)特性，對于分析燃燒過程有著重要的實際應用意義。目前國內外對液滴蒸發(fā)過程已進行全面的理論研究[1-5]，構建了多種液滴蒸發(fā)模型，并通過模型分析了液滴蒸發(fā)特性。針對燃料液滴蒸發(fā)過程開展了大量實驗研究，國外Hiroyasu等人對丁烷與乙醇液滴進行了高溫高壓下的蒸發(fā)實驗[6]，Ghassemi等人進行了高溫高壓環(huán)境中的煤油液滴蒸發(fā)實驗[7]，取得了比較系統的實驗數據。國內研究多集中于理論模型優(yōu)化、仿真計算方法改進，對液滴蒸發(fā)過程的實驗研究較少。蘇凌宇對低壓環(huán)境中與壓力震蕩環(huán)境中的液滴蒸發(fā)進行了分析[8]；馬力對高溫氣流中的液滴蒸發(fā)特性進行了實驗研究[9]；馬小康等對柴油、正丁醇及其混合燃料液滴在不同環(huán)境溫度中的蒸發(fā)特性進行了實驗分析[10]。可以看出，國內實驗多局限于低壓環(huán)境，對高溫高壓環(huán)境中液滴蒸發(fā)缺乏深入細致的研究。

本文利用搭建的高溫高壓液滴蒸發(fā)實驗系統，對RP-3航空煤油單液滴蒸發(fā)過程進行了實驗研究，得到了高溫高壓環(huán)境下煤油液滴蒸發(fā)過程特性，對于深入理解煤油燃料的燃燒過程具有重要意義。

1 實驗系統與關鍵技術

1.1 實驗系統設計

圖1為實驗系統設計原理圖。實驗原理為在同一高壓環(huán)境中實現高、低溫實驗區(qū)空間分離，讓液滴在低溫區(qū)形成，再通過機械機構使形成的高溫區(qū)移動，從而使液滴由低溫環(huán)境迅速進入高溫環(huán)境，研究其蒸發(fā)特性。該方法能夠可靠地實現液滴生成與懸掛，并有效控制液滴初始狀態(tài)。實驗中采用Vision Research公司的Phantom 7.5高速攝影儀（拍攝幀頻可達160 000 pps），通過光學觀測窗口對液滴的蒸發(fā)過程進行記錄，并應用圖像處理技術對采集圖像進行分析處理，得到液滴蒸發(fā)數據。該系統可以實現實驗環(huán)境壓力0.1～10 MPa和溫度300～900 K的可調、可控。

圖1 實驗系統設計原理圖Fig.1 Design principle diagram of experiment system

1.2 掛滴石英絲直徑選取

Jeng-Renn Yang等人研究發(fā)現，懸掛液滴的石英絲會對液滴的蒸發(fā)過程有促進作用，掛絲越粗，作用越明顯[11]。表1給出了相關文獻以及本實驗使用石英絲尺寸數據。通過對比可以看出，本實驗所采用石英絲直徑與國外同類實驗相比尺寸偏大，這是因為在高溫區(qū)移動過程中較細尺寸的石英絲極易損壞。db雖然較大，但形成液滴的d0/db比值在可以接受范圍之內。

表1 石英絲尺寸對比Tab.1 Comparison of quartz wire sizes

1.3 液滴尺寸數據計算方法

通過對高速攝影拍攝的液滴變化序列圖像進行識別和處理，得到比較清晰的液滴圖像，采用文獻 [10]中的等效球體積法來計算液滴直徑，利用Matlab軟件編輯圖像處理程序，得到液滴直徑變化數據。

如圖2所示，隨著液滴蒸發(fā)過程的進行，d/db逐漸變小（d為液滴直徑；db為石英絲末端直徑），石英絲在液滴中所占的體積比重越來越大，蒸發(fā)過程由液滴蒸發(fā)逐漸過渡成為薄膜蒸發(fā)。與此同時，石英絲對液滴蒸發(fā)的促進作用隨蒸發(fā)過程進行會越來越明顯，導致液滴蒸發(fā)越來越快。實驗表明，掛滴實驗時液滴蒸發(fā)末期所得到的液滴蒸發(fā)數據誤差較大，故本文中的實驗不將d/db＜1.25的實驗數納入數據分析。

圖2 液滴直徑與石英絲尺寸對比示意圖Fig.2 Comparison of droplet diameter and quartz wire size

2 實驗結果與數據分析

利用實驗系統，對煤油液滴在不同工況下進行實驗，研究了在一定壓力條件下，不同環(huán)境溫度對煤油液滴蒸發(fā)過程的影響，以及在一定溫度條件下，不同壓力環(huán)境對蒸發(fā)過程的影響。圖3為環(huán)境壓力2 MPa和環(huán)境溫度473 K下煤油液滴蒸發(fā)過程中拍攝到的不同時刻的圖像。

圖3 Pressure=2.0 MPa and temperature=473 K時煤油液滴蒸發(fā)過程圖像Fig.3 Images taken in kerosene droplet evaporation process as pressure=2.0 MPa and temperature=473 K

2.1 環(huán)境溫度對蒸發(fā)過程影響

圖4（a）給出了壓力環(huán)境為2.0 MPa時，不同環(huán)境溫度下相同初始溫度和初始直徑的煤油液滴在蒸發(fā)過程中D2數值的變化曲線（其中D2=d2/d20，d為液滴直徑，d0為液滴蒸發(fā)初始直徑）。由圖4（a）可以看出，同一環(huán)境壓力下，隨著環(huán)境溫度的升高，煤油液滴生存時間越短，液滴蒸發(fā)速率越大，蒸發(fā)過程中D2曲線逐漸由偏離d2定律轉變?yōu)榉稀D4（a）中虛線表明了曲線偏離線性關系的情況。

分析認為，煤油中主要成分為重質飽和烴與輕質飽和烴，其中輕質飽和烴比重質飽和烴有著更強的揮發(fā)性。在環(huán)境溫度較低時（473 K和573 K），由環(huán)境向煤油液滴內部的熱傳導速率接近于液滴內部的組分質量擴散速率。液滴蒸發(fā)開始后，易蒸發(fā)的輕質組分蒸發(fā)較快，氣液交界面處的輕質組分逐漸減少，同時液滴內部的輕質組分向外部擴散進行彌補，這樣就形成了煤油液滴的蒸發(fā)按照組分揮發(fā)性強弱的次序，依次蒸發(fā)的規(guī)律。因此煤油液滴蒸發(fā)過程中的直徑平方變化偏離d2定律。當環(huán)境溫度較高時（673 K和773 K），輕質組分的蒸發(fā)速度大于其組分在液滴內部的傳質速度，導致原本按照揮發(fā)性強弱次序依次蒸發(fā)的規(guī)律被打亂，液滴呈現整體一致蒸發(fā)的單組分液滴蒸發(fā)特性，因此煤油液滴蒸發(fā)曲線在高溫下轉變?yōu)榉蟙2定律，煤油的多組分屬性導致煤油液滴在不同溫度下呈現出不同蒸發(fā)特性。

圖4 環(huán)境溫度對液滴蒸發(fā)影響Fig.4 Effect of environmental temperature on droplet evaporation

對已經取得的液滴變化尺寸數據進行二階高斯擬合，利用擬合曲線得到液滴蒸發(fā)速率Km和蒸發(fā)流率Kc。從圖4中可以看出，高壓下液滴由低溫環(huán)境進入高溫環(huán)境后，液滴受熱開始膨脹，初始階段液滴體積膨脹量在短時間內大于液滴蒸發(fā)引起的體積損失量，使得計算蒸發(fā)速率與蒸發(fā)流率出現負值。隨著液滴體積減小，蒸發(fā)速率與蒸發(fā)流率開始轉為正值并增大。液滴蒸發(fā)速率的變化由液滴表面的蒸發(fā)流率與液滴蒸發(fā)面積共同決定，即Km=S×Kc。液滴蒸發(fā)面積隨蒸發(fā)過程逐漸減小，蒸發(fā)流率隨蒸發(fā)過程逐漸變大，兩者在蒸發(fā)過程中的前后作用變化會產生蒸發(fā)速率的峰值現象。蒸發(fā)流率在蒸發(fā)過程中一直增大，當環(huán)境溫度較低時（573 K），液滴蒸發(fā)流率先增大后趨于平緩，隨著環(huán)境溫度的升高（673 K和773 K），液滴蒸發(fā)流率增大趨勢明顯。當環(huán)境溫度較高時，蒸發(fā)流率一直增大至蒸發(fā)結束。

實驗中還研究了環(huán)境壓力為1.0 MPa時，環(huán)境溫度對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律，如圖4（d）所示，隨著環(huán)境溫度的升高液滴蒸發(fā)速率增大，液滴蒸發(fā)曲線逐漸由偏離d2定律向符合d2定律轉變，與環(huán)境壓力2.0 MPa時環(huán)境溫度影響規(guī)律一致。這表明環(huán)境溫度對液滴蒸發(fā)特性的影響與環(huán)境壓力相關性不明顯。

2.2 環(huán)境壓力對蒸發(fā)特性的影響

2.2.1 低溫環(huán)境下壓力變化對煤油液滴蒸發(fā)特性的影響

圖5 環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)過程的影響Fig.5 Effect of environmental pressure on droplet evaporation

由圖5（a）可以看出，環(huán)境溫度T=473 K時，隨著環(huán)境壓力增大，液滴蒸發(fā)速率變慢，生存時間變長。這是因為：一方面壓力升高會增強液滴表面與周圍環(huán)境氣體的傳熱，提高液滴表面溫度，有利于液滴蒸發(fā)；另一方面，壓力的升高也會降低氣液平衡時煤油蒸汽的組分濃度，從而削弱了煤油蒸汽從液滴表面向環(huán)境擴散的能力，抑制液滴蒸發(fā)。當環(huán)境溫度較低時（473 K），壓力升高對煤油蒸汽向周圍環(huán)境擴散的抑制作用大于壓力升高引起的液滴表面與周圍環(huán)境氣體傳熱增強對蒸發(fā)促進作用，從而表現為壓力升高抑制了液滴蒸發(fā)。

圖5（a）中顯示的液滴蒸發(fā)曲線均不符合d2定律，說明在環(huán)境溫度恒定的條件下，環(huán)境壓力的改變并不能影響液滴的蒸發(fā)曲線形態(tài)。環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)的影響是通過氣液界面的傳熱和組分擴散來實現的，對各組分的影響具有共性，因此不會引起煤油液滴的多組分蒸發(fā)性質轉變。圖5（b）、圖5（c） 中曲線與圖4（b）、圖4（c）相比，蒸發(fā)速率達到峰值過后，減小趨勢放慢，蒸發(fā)流率沒有在蒸發(fā)過程中一直增大，而是在快速增大后趨于平緩。蒸發(fā)流率沒有一直增大是由于在較低的環(huán)境溫度下（473 K），煤油液滴后期主要蒸發(fā)的重質飽和烴不足以支撐由快速蒸發(fā)的輕質飽和烴所帶動的蒸發(fā)流率的增大，因此當輕質飽和烴含量下降時，蒸發(fā)流率隨之增加的趨勢減慢，重質飽和烴隨著蒸發(fā)進行溫度升高，從而保持了液滴蒸發(fā)流率的平穩(wěn)。蒸發(fā)流率由增大轉變?yōu)榉€(wěn)定，使得蒸發(fā)面積的作用提前占據主導，液滴蒸發(fā)速率峰值提前出現。

隨著環(huán)境壓力的增大，氣液平衡時煤油蒸汽組分濃度減小，對煤油蒸汽從液滴表面向環(huán)境擴散不利，液滴蒸發(fā)流率因此變小，蒸發(fā)速率隨流率變小而變小。

圖5（d）給出了環(huán)境溫度373 K時不同壓力下的液滴蒸發(fā)D2曲線，可以看出隨著環(huán)境壓力的增大液滴蒸發(fā)速率變慢，液滴生存時間變長，與環(huán)境溫度473 K時的變化趨勢一致。

2.2.2 高溫環(huán)境下壓力變化對煤油液滴蒸發(fā)特性的影響

由圖6（a）中可以看出，在環(huán)境溫度T=673 K時，隨著環(huán)境壓力的升高，煤油液滴的生存時間縮短，液滴蒸發(fā)過程中的D2變化曲線在穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)階段符合d2定律。這是因為在高溫環(huán)境下，壓力的升高對液滴蒸發(fā)促進作用大于其產生的抑制作用，促進了液滴蒸發(fā)。2種作用強弱變化導致煤油液滴在高溫環(huán)境中與低溫環(huán)境中有著不同蒸發(fā)規(guī)律。Hiroyasu H在其研究中指出庚烷與乙醇分別在423 K、393 K左右存在轉折溫度點[6]，在轉折溫度點前，液滴壽命隨環(huán)境壓力增大而延長，轉折溫度點之后，液滴壽命隨環(huán)境壓力增大而縮小。實驗中煤油是多種烷烴組分的混合物，不同組分在蒸發(fā)過程中對環(huán)境壓力都有不同的轉折點溫度。本實驗中煤油的具體轉折點溫度有待進一步研究。

圖6 環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)影響Fig.6 Effect of environmental pressure on droplet evaporation

從圖6（b）中可以看出，蒸發(fā)速率的變化曲線在不同壓力下均呈現出先增大后減小的趨勢，但是與環(huán)境溫度較低時相比（圖5（b）），煤油液滴達到蒸發(fā)速率峰值的時間與低溫環(huán)境相比占整個液滴生存時間的比重增加。從圖6（c）中可以看出，煤油液滴的蒸發(fā)流率在不同的壓力下均呈增大趨勢，環(huán)境壓力越高增大越明顯。

圖6（d）給出了環(huán)境溫度773 K時環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)特性的影響，可以看出液滴蒸發(fā)D2曲線與環(huán)境溫度673 K時規(guī)律一致。

綜合上述分析可知，環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)過程的影響主要有2個方面：一方面壓力升高會增強液滴表面與周圍環(huán)境氣體的傳熱，提高液滴表面溫度，有利于液滴蒸發(fā)；另一方面，壓力的升高也會降低氣液平衡時煤油蒸汽的組分濃度，從而削弱了煤油蒸汽從液滴表面向環(huán)境擴散的能力，抑制液滴蒸發(fā)。環(huán)境溫度較低時，壓力升高對液滴蒸發(fā)的抑制作用占主導，環(huán)境溫度較高時，壓力升高對液滴蒸發(fā)的促進作用占主導。

3 結論

1） 環(huán)境溫度對液滴蒸發(fā)過程的影響與環(huán)境壓力的相關性不明顯。當環(huán)境溫度低于573 K時，煤油液滴在穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)過程的D2曲線不符合經典的d2定律，表現為多組分液滴蒸發(fā)的特點；當環(huán)境溫度高于673 K時煤油液滴蒸發(fā)過程的D2曲線符合d2定律，此時，多組分煤油液滴在高溫環(huán)境中表現出了單組分液滴蒸發(fā)性質。

2） 環(huán)境壓力對液滴蒸發(fā)過程的影響與環(huán)境溫度明顯相關。當環(huán)境溫度低于473 K時，環(huán)境壓力由1.0 MPa升高至4.0 MPa，煤油液滴蒸發(fā)速率變慢，液滴生存時間變長；當環(huán)境溫度高于673 K時，煤油液滴蒸發(fā)速率增大，液滴生存時間變短。

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（編輯：馬 杰）

Experimental investigation on evaporation process of kerosene droplets at high pressure and high temperature

LIU Song,NIE Wansheng,SU Lingyu,SHI Tianyi,LIU Yu
（Equipment Academy,PLA,Beijing 101416,China）

An investigation on the evaporation characteristics of kerosene droplets in temperature range of 473～773 K and pressure range of 1.0～4.0 MPa was performed with high-speed CCD camera system and image processing technology in the static gas environment.The effect law of ambient temperature and pressure on the evaporating process of kerosene droplets were obtained.The experimental results shows that the kerosene droplet evaporation D2curve does not conform to the d2law when the ambient temperature is below 573 K,and the diameter variation of the kerosene droplet conforms to the d2law when the ambient temperature is within 673～773 K.The influence of experimental pressure on droplet evaporation is closely related to ambient temperature.When the ambient temperature is lower than 473 K,the droplet evaporation rate becomes slow with the increase ofambient pressure.When the ambient temperature is higher than 673 K,the droplet evaporation rate is increased with the increase ofambient pressure.

kerosene droplet;evaporation characteristic;experimental investigation

V433-34

A

1672-9374(2017)02-0025-07

2016-10-10；

2017-02-13

超臨界壓力蒸發(fā)過程及其對壓力震蕩的響應機理研究（6132390102）

劉松（1987—），男，碩士，研究領域為液體火箭發(fā)動機推進技術