单液滴碰撞与喷雾现象

摘 要：在内燃发动机中，燃油喷雾问题不仅影响了燃烧前的混合物制备，还影响了发动机性能和污染物排放，研究喷雾与壁面碰撞过程中的流体动力学和热力学问题对燃料喷射系统的发展起着推动作用。本文将对现有文献中关于内燃机喷雾壁面碰撞的研究进行总结，试图用单液滴碰撞的基本原理来描述喷雾与壁面相互作用的基本原理。

关键词：燃油喷雾；流体动力学；热力学；单液滴碰撞

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

0 引言

燃油喷射到配有喷射系统的内燃发动机表面上是影响燃烧前混合物准备的根本问题，也影响了发动机性能和污染物排放。为了了解内燃发动机中喷雾碰撞的物理特性，研究者们进行了许多实验研究，他们对喷射系统的开发作出了宝贵贡献，该系统能够满足严格的燃料消耗和排放目标。但他们仅研究了单个参数和工作条件之间复杂的相互作用，难以系统化。喷雾现象的准确描述要求详细记录液滴碰撞后的尺寸、速度和数量的变化，以及液体的性质和表面形态。然而，实际的燃料喷射系统是非常复杂的，已有的物理模型是在简化流体的基础研究中推断出来的。尽管喷雾不能完全等同于单液滴的总和，但单液滴碰撞的影響已被广泛用于描述喷雾碰撞行为并预测其结果。本文将对现有文献中关于内燃机喷雾壁面碰撞的研究进行总结，试图用单液滴碰撞的基本原理来描述喷雾与壁面相互作用的基本原理。

1 液滴与冷壁面之间的相互作用

当液滴撞击未加热的刚性干壁面时，其碰撞行为取决于碰撞时的边界条件（包括液体和表面特性）。根据Rioboo等人[1]的研究可将碰撞行为分为粘附、铺展、飞溅和回弹，并且对飞溅行为作了详细分析。

确定了液滴碰撞后可能发生的变化，下一步是确定液滴变化的数值标准，这些标准通常基于用来描述作用在液滴上的力的相对大小的无量纲量，最常见的是雷诺数（），韦伯数（），奥内佐格数（），拉普拉斯数（）和毛细管数（）。

这个参数是由Stow和Hadfield[2]首先提出的，后来被Mundo等人[3]证实，目前在文献中多被用来预测飞溅行为的发生。然而该参数不能用来解释液滴与粗糙壁面碰撞时液-固界面处的复杂变化，难以为所有的碰撞行为找到唯一标准Kc。为了解决这个问题，Cossali等人根据的拟合定律对实验数据进行调整，其中是无量纲粗糙度。

2 传热机制

表面温度对喷雾现象的分析带来了更多的复杂性，在这种情况下，研究们面临的一个重要问题是如何准确地将传热模型引入相互作用的流体力学机制中。液滴与热壁面碰撞的过程可以根据壁面过热度（）分为四种机制：自然对流、核态沸腾、过度沸腾和膜态沸腾。一直以来，一些研究者们对液体属性、润湿性、表面渗透性和碰撞角度的影响进行了参数研究，其他研究者也分析了碰撞变形和二次液滴的特点，认为不同的传热机制会产生不同的影响。

从单液滴实验中推断出热传导效应的知识非常重要，可以由此设计出精确的方法来计算碰撞时的传热。Bernardin等人[4]认为热传递与液滴的径向速度有关，相反，Pikkula等人[5]认为传热速率主要受碰撞时惯性力和表面张力之比影响（Weber数）。影响喷雾与壁面传热的参数实际上取决于问题边界条件的复杂方式，而边界条件又取决于实验或操作的条件。

3 局部传递系数对喷雾影响的相关性

在前人的实验中，大多通过测量壁面的瞬时温度研究了喷雾碰撞的局部传热，这些实验为传热传质学的发展提供了有效的参考数据。传热系数是关于三相体的复杂函数，在Eckhause和Reitz[6]的研究中，最简单的形式是基于单液滴碰撞的边界层类比，碰撞过程中会形成一个平均厚度的薄液膜：

对于汽油喷雾，Panao和Moreira[9]推导出a=3.4×10-5，c=1.51，e =-0.254，并且他们发现普朗特数和韦伯数的影响可以忽略不计，即b=d=0。该式描述了喷雾现象中发生的复杂相互作用，使得传热机制与核态沸腾中观察到的明显不同。

4 结语

关于单液滴的实验有大量的文献，主要是为了揭示各项参数对喷雾现象中的流体动力学的影响：液体的表面张力、粘度、密度和温度；单个液滴的直径、速度和碰撞角度；壁面的粗糙度和温度等，这些实验旨在确定相互作用的流体动力学状态并量化液滴碰撞的结果。对于单液滴碰撞的热传导问题，研究者们根据不同的热传递状态下的液滴行为设计了几种模型。喷雾现象中的热传递通常通过牛顿的对流定律来量化，传热系数的相关性主要通过喷雾实验凭经验获得。

参考文献：

[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：孙韫（1993-），女，江苏扬州人，研究生在读，研究方向：气液两相流直接数值计算。endprint