單液滴碰撞與噴霧現象

摘 要：在內燃發動機中，燃油噴霧問題不僅影響了燃燒前的混合物制備，還影響了發動機性能和污染物排放，研究噴霧與壁面碰撞過程中的流體動力學和熱力學問題對燃料噴射系統的發展起著推動作用。本文將對現有文獻中關于內燃機噴霧壁面碰撞的研究進行總結，試圖用單液滴碰撞的基本原理來描述噴霧與壁面相互作用的基本原理。

關鍵詞：燃油噴霧；流體動力學；熱力學；單液滴碰撞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.185

0 引言

燃油噴射到配有噴射系統的內燃發動機表面上是影響燃燒前混合物準備的根本問題，也影響了發動機性能和污染物排放。為了了解內燃發動機中噴霧碰撞的物理特性，研究者們進行了許多實驗研究，他們對噴射系統的開發作出了寶貴貢獻，該系統能夠滿足嚴格的燃料消耗和排放目標。但他們僅研究了單個參數和工作條件之間復雜的相互作用，難以系統化。噴霧現象的準確描述要求詳細記錄液滴碰撞后的尺寸、速度和數量的變化，以及液體的性質和表面形態。然而，實際的燃料噴射系統是非常復雜的，已有的物理模型是在簡化流體的基礎研究中推斷出來的。盡管噴霧不能完全等同于單液滴的總和，但單液滴碰撞的影響已被廣泛用于描述噴霧碰撞行為并預測其結果。本文將對現有文獻中關于內燃機噴霧壁面碰撞的研究進行總結，試圖用單液滴碰撞的基本原理來描述噴霧與壁面相互作用的基本原理。

1 液滴與冷壁面之間的相互作用

當液滴撞擊未加熱的剛性干壁面時，其碰撞行為取決于碰撞時的邊界條件（包括液體和表面特性）。根據Rioboo等人[1]的研究可將碰撞行為分為粘附、鋪展、飛濺和回彈，并且對飛濺行為作了詳細分析。

確定了液滴碰撞后可能發生的變化，下一步是確定液滴變化的數值標準，這些標準通常基于用來描述作用在液滴上的力的相對大小的無量綱量，最常見的是雷諾數（），韋伯數（），奧內佐格數（），拉普拉斯數（）和毛細管數（）。

這個參數是由Stow和Hadfield[2]首先提出的，后來被Mundo等人[3]證實，目前在文獻中多被用來預測飛濺行為的發生。然而該參數不能用來解釋液滴與粗糙壁面碰撞時液-固界面處的復雜變化，難以為所有的碰撞行為找到唯一標準Kc。為了解決這個問題，Cossali等人根據的擬合定律對實驗數據進行調整，其中是無量綱粗糙度。

2 傳熱機制

表面溫度對噴霧現象的分析帶來了更多的復雜性，在這種情況下，研究們面臨的一個重要問題是如何準確地將傳熱模型引入相互作用的流體力學機制中。液滴與熱壁面碰撞的過程可以根據壁面過熱度（）分為四種機制：自然對流、核態沸騰、過度沸騰和膜態沸騰。一直以來，一些研究者們對液體屬性、潤濕性、表面滲透性和碰撞角度的影響進行了參數研究，其他研究者也分析了碰撞變形和二次液滴的特點，認為不同的傳熱機制會產生不同的影響。

從單液滴實驗中推斷出熱傳導效應的知識非常重要，可以由此設計出精確的方法來計算碰撞時的傳熱。Bernardin等人[4]認為熱傳遞與液滴的徑向速度有關，相反，Pikkula等人[5]認為傳熱速率主要受碰撞時慣性力和表面張力之比影響（Weber數）。影響噴霧與壁面傳熱的參數實際上取決于問題邊界條件的復雜方式，而邊界條件又取決于實驗或操作的條件。

3 局部傳遞系數對噴霧影響的相關性

在前人的實驗中，大多通過測量壁面的瞬時溫度研究了噴霧碰撞的局部傳熱，這些實驗為傳熱傳質學的發展提供了有效的參考數據。傳熱系數是關于三相體的復雜函數，在Eckhause和Reitz[6]的研究中，最簡單的形式是基于單液滴碰撞的邊界層類比，碰撞過程中會形成一個平均厚度的薄液膜：

對于汽油噴霧，Panao和Moreira[9]推導出a=3.4×10-5，c=1.51，e =-0.254，并且他們發現普朗特數和韋伯數的影響可以忽略不計，即b=d=0。該式描述了噴霧現象中發生的復雜相互作用，使得傳熱機制與核態沸騰中觀察到的明顯不同。

4 結語

關于單液滴的實驗有大量的文獻，主要是為了揭示各項參數對噴霧現象中的流體動力學的影響：液體的表面張力、粘度、密度和溫度；單個液滴的直徑、速度和碰撞角度；壁面的粗糙度和溫度等，這些實驗旨在確定相互作用的流體動力學狀態并量化液滴碰撞的結果。對于單液滴碰撞的熱傳導問題，研究者們根據不同的熱傳遞狀態下的液滴行為設計了幾種模型。噴霧現象中的熱傳遞通常通過牛頓的對流定律來量化，傳熱系數的相關性主要通過噴霧實驗憑經驗獲得。

參考文獻：

[1]Rioboo R，Marengo M，Tropea C.Outcomes from a Drop Impact on Solid Surfaces[J].Atomization &Sprays，2001，11（02）：155-166.

[2]Stow C D，Hadfield M G.An Experimental Investigation of Fluid Flow Resulting from the Impact of a Water Drop with an Unyielding Dry Surface[J].Proceedings of the Royal Society of London.Series A，Mathematical and Physical Sciences，1981， 373（1755）：419-441.

[3]Mundo C，Sommerfeld M，Tropea C.Droplet-wall collisions： Experimental studies of the deformation and breakup process[J].International Journal of Multiphase Flow，1995， 21（02）：151-173.endprint

[4]Bernardin J D，Stebbins C J，Mudawar I.Effects of surface roughness on water droplet impact history and heat transfer regimes[J].International Journal of Heat&Mass Transfer， 1996，40（01）：73-88.

[5]Pikkula B M，PhD J H T M，Tunnell J W，et al.Cryogen spray cooling：Effects of droplet size and spray density on heat removal[J].Lasers in Surgery&Medicine，2001，28（02）：103-112.

[6]Eckhause J E，Reitz R D.Modeling heat transfer to impinging fuel sprays in direct-injection engines[C].1995： 213-242.

[7]Rybicki J R，Mudawar I.Single-phase and two-phase cooling characteristics of upward-facing and downward-facing sprays[J].International Journal of Heat&Mass Transfer，2006，49（1-2）：5-16.

[8]Arcoumanis C，Chang J C.Heat transfer between a heated plate and an impinging transient diesel spray[J].Experiments in Fluids，1993，16（02）：105-119.

[9]Pan?o M R O，Moreira A L N.Interpreting the influence of fuel spray impact on mixture preparation for HCCI combustion with port-fuel injection[J].Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（02）：2205-2213.

作者簡介：孫韞（1993-），女，江蘇揚州人，研究生在讀，研究方向：氣液兩相流直接數值計算。endprint