关键词:
彩虹折射技术
液滴瞬态蒸发
表面张力
液滴流
声悬浮液滴
摘要:
液滴蒸发过程广泛存在于工业应用和自然科学研究中。在以液体燃料作为推进剂的发动机中,掌握液滴蒸发过程的物理规律,对发动机的优化设计与高效运行至关重要,而对液滴蒸发过程特性参数的测试表征则是评估喷雾燃烧组织质量的关键手段。本文在彩虹折射法测量液滴粒径、温度和蒸发速率的基础上,进一步提出了液滴表面张力、粘度的测量方法,并结合粒子干涉成像、高速显微阴影成像及粒子测速技术,对不同环境下蒸发液滴多参数进行了原位测量,获得了多因素对液滴蒸发传热传质的影响规律。首先,通过对液滴振荡过程中彩虹信号变化规律的研究,将彩虹折射技术拓展到了液滴表面张力和粘度的高精度原位测量。采用矢量光线追踪模型和复角动量理论对椭球液滴彩虹信号进行模拟,获得液滴变形幅值与彩虹信号偏移和变形之间的定量关系;构建时间分辨的彩虹系统配置,以跟踪周期性振荡液滴的彩虹信号时间演化;分别通过振荡频率及振幅衰减时间对液滴的表面张力和粘度进行表征。将该方法应用于水、乙醇、正庚烷和正癸烷液滴,结果显示表面张力测量的平均误差小于5%,粘度测量平均误差小于9%。相比于直接成像法仅能对较大变形液滴进行观测的局限,该技术可以量化液滴小于1%的变形幅值,并且在不使用高速成像设备的情况下,时间分辨率便可达0.1 ms,能够记录和检测液滴10 k Hz级的振荡。其次,对在高温高压下蒸发的液滴流进行了多参数原位测量,获得了压力、温度、液滴间距等对液滴蒸发的耦合影响规律。设计并搭建了高温高压实验平台,实现了压力高达1.0 MPa、温度700 K的液滴流蒸发环境;基于本研究提出的表面张力测量方法和液体表面张力-温度的定量关系式,获得了不同环境温度下液滴的表面温度;利用相位彩虹折射法测量了10 ms时间范围内,不同环境温度、压力及液滴间距下,乙醇液滴流蒸发过程的温度变化和瞬态蒸发速率。根据实验结果计算液滴蒸发过程的努塞尔数和舍伍德数,并将其分别与单液滴情况下的理论值进行对比,量化归纳了传热和传质的相互作用修正因子和影响规律。实验结果表明,无论在何种情况下,液滴间相互作用都会显著降低液滴的蒸发速率。并且,存在一个环境温度阈值,在本文中约为600 K,当温度低于该值时,环境压力的升高会增强液滴之间的相互作用,使蒸发速率进一步减小;反之,环境压力则会略微减弱液滴的相互作用。最后,综合采用彩虹折射法、阴影法和粒子测速成像技术,对声悬浮液滴蒸发过程中液滴相变与表面气相流场进行表征,分析了液滴初始粒径、饱和蒸气压及声压级对液滴蒸发的影响。对于乙醇液滴,研究发现其表面涡流厚度约为500μm,远大于理论预测的10~20μm,这表明蒸发所产生的初始Stefan流可能会通过扩大内部涡流的尺寸来影响声学边界层的厚度;此外,液滴表面Stefan流与声压阻力间的竞争决定了蒸汽在液滴表面的富集程度,从而影响了液滴的蒸发历程。随后,通过在声谐振腔内两个连续的压力节点同时悬浮液滴的方式,研究液滴间相互作用对其蒸发及外部流场的影响,发现液滴间的相互作用影响与其所处声压场中的位置有关:更靠近波腹的液滴类似于空间运动中处于下游的液滴,其蒸发所产生的尾迹会导致后侧液滴附近蒸汽梯度下降,蒸发速率显著减小,由此阐释了悬浮液滴界面上的流体力学行为与其相变过程的物理相关性。综上所述,本文发展了一种基于彩虹折射法的液滴多参数原位测量技术,获得了高温高压环境和声悬浮作用下液滴蒸发的实验数据,揭示了环境参数、液相参数和液滴表面的流体动力学行为对液滴蒸发的耦合影响规律,研究结果有助于对复杂环境下液滴相变过程的理解,并为优化实际应用中的蒸发过程提供重要依据。