高壓電場作用下的雙毛細霧化特性實驗研究

馬英，王楠，劉月笛，張國鈺，李永博，趙苡萁，藍應蓮，張濤，張偉

高壓電場作用下的雙毛細霧化特性實驗研究

馬英1，王楠1，劉月笛1，張國鈺1，李永博1，趙苡萁1，藍應蓮1，張濤1，張偉2

（1. 沈陽航空航天大學， 遼寧 沈陽 110136； 2. 中汽研華誠認證（天津）有限公司， 天津 300300）

雙毛細管靜電霧化技術可增大燃油霧流場中的靜電作用力，從而細化燃油霧化液滴粒徑，可提高燃料液滴的霧化質量。通過高速攝影儀器對航空煤油的雙毛細管靜電霧化的霧化液滴荷電破碎特性、液滴的分離頻率以及航空煤油的霧化液滴模式進行了實驗研究，分析了航空煤油流量與電壓對航空煤油在雙毛細管端口的霧化模式和霧化特性的影響。結果表明，液橋長度隨電壓的增高而增長，粒徑隨電壓增高而減小。同電壓下，流量越大航空煤油下落頻率越高，且下落頻率隨電壓變化的幅度也隨之越大；航空煤油產生穩定射流的流量范圍0.18~2.55 mL·min-1。

靜電霧化；雙毛細管；航空煤油；液橋長度；霧化模式

為了改善化石能源不斷減少及能源浪費而造成的世界“能源危機”和因燃料未充分燃燒而造成的環境污染和能源浪費的現狀，世界各國都致力于對節能高效新型技術的研究。而燃油發動機是化石能源應用的一大領域，因此，致力于研究如何提高燃油發動機對液體化石燃料的利用率，提高燃料的燃燒效率。為了提高燃料利用率和燃燒效率，對液體燃料進行更加有效的霧化處理是十分必要的[1]。

在噴氣燃料使用初期，以石腦油和煤油混合配方制成的航空煤油來提高效率，但是由于重量較低，處理危險極大，只有寒冷天氣絕對需要才使用。20世紀50年代發展高密度碳氫燃料，從寬泛的高密度燃料合成，但由于合成復雜，燃油價格緊缺，因此將燃料霧化處理顯得尤為重要[2]。Rayleigh[3]，Jones和Thong等[4]對靜電霧化技術進行了早期的研究，靜電霧化相比于普通的霧化方式霧化效果更明顯。前人對液體燃料的靜電霧化的研究主要是針對柴油[5]和汽油[6]等普通燃料的靜電霧化,對航空煤油的靜電霧化的研究甚少。此外，到目前為止，國內外對單毛細管的靜電霧化研究較為成熟，對雙毛細管的靜電霧化研究較少，對利用單毛細管靜電技術對航空煤油進行霧化的研究很少，對利用雙毛細管靜電霧化技術對航空煤油進行霧化的研究仍為空白，并且雙毛細管靜電霧化技術相比單毛細管靜電霧化技術優勢更為顯著本課題是對利用雙毛細管靜電霧化技術對航空煤油進行霧化的研究，可以利用雙毛細管靜電霧化技術增大靜電場中的作用力[7]，增大霧化范圍，增大霧化流量，細化霧化液滴粒徑，霧化液滴粒徑可控，液滴的霧化模式可調等優勢強化高壓靜電場對液體燃料的霧化效果，提高燃料液滴的霧化質量。雙毛細管靜電霧化技術通過減小液體燃料表面的張力，減小燃料液體黏性等細化霧化燃料液滴直徑、增大霧化燃料液滴比表面積使霧化燃料液滴與空氣充分接觸混合而充分燃燒，從而提高燃料的燃燒效率和燃料的利用率，在很大程度上避免了因不完全燃燒造成的能源的浪費和環境污染，對未來發動機燃料燃燒領域的研究具有重要意義[8]。據此，本文對航空煤油的雙毛細管靜電霧化的霧化模式、霧化特征進行了研究，得到了劃分了荷電模式、航空煤油的分離頻率與電壓及流量的關系，以及得出高電壓下航空煤油能夠產生穩定射流的流量范圍，為航空煤油的毛細霧化提供 了參考依據。

1 實驗裝置

為研究高壓靜電的航空煤油霧化特性，本文設計了一個靜電霧化實驗裝置。具體的實驗裝置圖1所示，實驗臺由實驗主體裝置和觀察記錄裝置兩部分。實驗主體裝置包括毛細管、夾持毛細管裝置、高壓靜電發生器、接收電極、連接硅膠管、針筒、雙腔激光發生器、長距顯微鏡、LED光源等；觀察記錄裝置包括計算機、高速數碼相機等。本實驗采用航空煤油，滿足GB 253—2008，表1為航空煤油的物理性質參數。

圖1 雙毛細管靜電霧化實驗裝置組成圖

2 實驗結果分析

2.1 流量與電壓影響

為研究流量與電壓對實驗中各霧化模式所影響的大小，可直觀分析霧化液滴速度場。根據無量綱靜電邦德數BoE[9]以及無量綱流量α[10]，即可分析霧化模式與電壓和流量的相對大小關系。研究流量與電壓對實驗中霧化模式所產生的影響，首先未施加電場時，航空煤油下落的形態變化如圖2所示。液橋斷裂以前，有一部分包在毛細管下端管口，之后液滴逐漸匯聚，形成液橋，接著液橋斷裂。液橋斷裂以后，由于航空煤油的黏度較大，航空煤油液橋直接變為衛星液滴，隨主液滴一起下落。

圖2 未施加電場時航空煤油在下落過程的變化

當電壓增加時，由于航空煤油相對介電常數與電導率很低，電壓較低時航空煤油下落形貌無明顯變化。增加電壓后，如圖3所示，在7 kV時，衛星液滴受到主液滴電場力與液橋斷裂所產生的彈力總合力要大于衛星液滴重力與半月面電場力的合力。

圖3 航空煤油衛星液滴運動

衛星液滴與半月面重合，電壓為14.2 kV，隨電場力變化，衛星液滴先向上再向下。電壓增大到21.5 kV時，下落狀態呈射流模式，當電壓增加至23 kV 時，航空煤油產生穩定射流。

2.2 分離頻率與電壓之間關系

圖4 表明在流量為1 mL·min-1的工況下，液滴的分離頻率隨電壓0~25 kV之間的變化關系圖。當電壓為0~3 kV 時，施加電壓的改變對航空煤油的分離頻率產生的影響并不顯著；從整體的變化情況來看，隨著施加電壓的不斷增大航空煤油的分離頻率也不斷地增長；當電壓低于20 kV時，航空煤油的形貌改變受到電壓改變所帶來的影響并不明顯，當施加電壓在8.8 kV以下時，航空煤油的分離頻率隨著施加電壓的增大逐漸增長。當施加電壓在8.8~14.3 kV之間時，航空煤油的分離頻率在一段區間內呈現下降趨勢；當施加電壓大于14.3 kV時，電場隨著施加電壓的不斷增大而增強，此時，航空煤油受到電場的作用也不斷增強，航空煤油的分離頻率隨著施加電壓的增大又呈現出緩慢增長的趨勢；當施加電壓為23 kV時，航空煤油的分離頻率高達4 925 Hz，此時航空煤油的射流模式為穩定射流模式[11]。

圖4 航空煤油分離頻率隨電壓的變化

航空煤油的分離頻率除了受到電壓的影響之外還受到流量的影響，流量的不斷增大，航空煤油的分離頻率不斷增高，并且航空煤油的分離頻率增高的幅度也不斷增大，這有效減短了航空煤油分離頻率的下降區間[12]。圖5為射流模式之前不同流量的航空煤油分離頻率隨電壓的變化。圖5表明流量為0.1 mL·min-1時，航空煤油的分離頻率隨施加電壓的增大先增大后減小，其余流量航空煤油的分離頻率隨施加電壓的增大先增大后減小再增大。這是因為在0.1 mL·min-1時，在高電壓狀態下，航空煤油并不會到達射流模式，卻在毛細管末端聚集一個更大的液滴，周期性有一個主液滴下落，主液滴下落時液橋長度比其余流量的液橋長度要長。此時由于流量較小，液量無法得到及時的補充，所以頻率不會隨電壓的升高而增加。

圖5 不同流量航空煤油分離頻率隨電壓的變化

流量越大則航空煤油下落頻率越高，且其下落頻率隨電壓變化幅度增大而增大。0.1 mL·min-1時，航空煤油的下落頻率隨著電壓的增高其變化規律為先增大再減小；此時其余流量的航空煤油隨著電壓的變化為先增大再減小再增大[13]。

2.3 射流模式劃分

通過對航空煤油在毛細管末端靜電霧化現象分析，流量不同的工況下，在施加高電壓的情況下降落模式各不相同，但在一定范圍內，航空煤油均可產生穩定射流。為了準確地得到航空煤油的穩定射流范圍，本文進行了多組觀測航空煤油靜電霧化模式如圖6所示。

a—滴狀模式；b—擺動模式；c—尖端電離模式d—不穩定射流模式；e—不穩定液柱模式；f—穩定射流模式；g—穩定液柱模式；h—不穩定電離模式。

圖6表明，每個霧化模式均存在滴狀模式、擺動模式與不穩定電離模式。而且當流量為 0.3、0.5、1.0和2.0 mL·min-1模式劃分相同，有五種模式，分別為滴狀模式、擺動模式、不穩定射流模式、穩定射流模式與不穩定電離模式；流量為 0.1、3.0和5.0 mL·min-1時，模式劃分與其余流量不同，不同模式的存在區間是擺動模式與不穩定電離之間[14]。由于不穩定射流模式狀態是一種不平衡的模式。該不平衡模式是由微流量注射泵供給流量與尖端射流釋放流量的不平衡。在這種狀態下液滴尖端電荷密度會較高，因此通過尖端噴射液滴來釋放流量。隨著流量的增長，噴射液滴所需的電壓即到達不穩定射流模式所需電壓越來越低。該模式的區間長度也越來越短[15]。而且當流量在 0.18 mL·min-1以下時，不穩定模式的區間將會不存在。

圖7 不同流量航空煤油隨電壓變化的降落模式圖

實驗研究表明，當流量范圍在0.18~2.55 mL·min-1之間時，航空煤油可以產生穩定的射流。當流量小于0.18 mL·min-1時，隨著施加電壓的不斷增大，航空煤油霧化液滴的降落模式在高電壓下模式為尖端電離模式；流量高于2.55 mL·min-1時，電壓增高后的模式為不穩定液柱模式與穩定液柱模式[16]。

3 結 論

荷電液滴破碎需要滿足瑞利極限，在實際情況下，受多種因素綜合影響，同一電壓下，流量越大航空煤油下落頻率越高，且下落頻率隨電壓變化的幅度也隨之越大；航空煤油產生穩定射流的流量范圍為 0.18~2.55 mL·min-1。當流量低于0.18 mL·min-1時，在高電壓下模式為尖端電離模式；流量高于 2.55 mL·min-1時，電壓增高后的模式為不穩定液柱模式與穩定液柱模式。

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Experimental Study on Double Capillary Atomization Characteristics Under High Voltage Electric Field

1,1,1,1,1,1,1,1,2

（1. Shenyang Aerospace University, Shenyang Liaoning 110136, China;2. CATARC Huacheng Certification (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300300, China）

The double capillary electrostatic atomization technology can increase the electrostatic force in the flow field of fuel mist, so as to refine the droplet size and improve the atomization quality of fuel droplet. A high-speed photographic instrument was used to study the atomization characteristics of aviation kerosene by double capillary electrostatic atomization. The effect of aviation kerosene liquid flow rate and voltage on the atomization mode and atomization characteristics of aviation kerosene was analyzed. The results showed that the length of liquid bridge increased with the increase of voltage, and the particle size decreased with the increase of voltage. At the same voltage, the larger the flow rate, the higher the falling frequency of aviation kerosene, and the greater the amplitude of falling frequency with voltage; the flow range of aviation kerosene stable jet was 0.18~2.55 mL·min-1.

Electrostatic atomization; Double capillary; Aviation kerosene; Length of liquid bridge; Atomization characteristics

2020年海洋能源利用與節能教育部重點實驗室開放基金, 橫向氣流作用下空心錐狀液膜破碎和霧化機理研究（項目編號：LOEC-202006）；遼寧省科技廳一般項目，氣動霧化噴嘴出口處液膜破碎機理研究（項目編號：JYT2020041）。

2020-11-09

馬英（2001-），男，河北衡水人，研究方向：高壓靜電作用下燃油霧化特性研究。

張濤（1987-），男，講師，博士學位，研究方向：燃氣輪機替代燃料噴射、霧化、燃燒與排放控制。

TQO361.4

A

1004-0935（2020）12-1459-04