3.3環(huán)境溫度對醇類(lèi)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(kāi)始后時(shí)刻0.2~1.4 ms內，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(kāi)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(kāi)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(kāi)始后時(shí)刻下正丁醇的噴霧形態(tài)

噴霧開(kāi)始后1.0 ms時(shí)刻、環(huán)境溫度為20℃時(shí)，3種醇類(lèi)燃料的噴霧形態(tài)無(wú)明顯差異，此時(shí)環(huán)境溫度較低，均未到達各燃料的沸點(diǎn)，圖像中的各路醇束較為清晰，無(wú)明顯蒸發(fā)和互相干涉現象。環(huán)境溫度升高至70℃，此時(shí)已超過(guò)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120℃時(shí)，3種燃料在噴射過(guò)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(cháng)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(xiàn)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(guò)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)生破碎并轉化為氣態(tài)，形態(tài)的轉變使液滴的動(dòng)量減小，從而抑制了噴霧的擴散。

噴霧錐角隨環(huán)境溫度的變化規律如圖7所示。由圖7可以看出，醇類(lèi)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(zhù)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(lèi)燃料噴霧錐角的影響

在試驗中發(fā)現，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(zhù)更復雜的影響。圖8為3種醇類(lèi)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(zhù)環(huán)境壓力和溫度的上升，各燃料的軸向貫穿距縮短。這是因為當定容彈內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(guò)程，從而導致噴霧在軸向擴散受到抑制，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(guò)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(zhù)。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(guò)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)保持了良好的穩定性。表面張力是液體表面分子相互作用力的體現，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(cháng)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(zhù)噴射壓力的提高而增大，隨環(huán)境壓力的提高而減??；噴霧錐角相比于貫穿距和面積，受?chē)娚鋲毫Φ挠绊懖粔蝻@著(zhù)，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(lèi)燃料噴霧特性的差異大多是由于燃料特性的差異所導致的；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。

（3）在3種醇類(lèi)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(cháng)度明顯大于甲醇和乙醇，并在噴霧發(fā)展過(guò)程中保持了良好的穩定性。