高健, 洪润, 董文龙, 等丨闪沸喷雾的研究现状与展望
文摘
科学
2024-04-11 17:54
北京
高健 洪润 董文龙 许年 楚化强 ![]()
安徽工业大学能源与环境学院，安徽 马鞍山 243002
DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223157
摘 要 通常将高温燃油进行喷射至低压环境中时发生的急速沸腾现象称为闪急沸腾(简称为闪沸)，合理地利用闪沸现象可以有效改善燃油喷雾的雾化效果、提高发动机效率。本综述总结了闪沸喷雾的相关理论，简要介绍了部分常用于观测闪沸喷雾的可视化技术。对比了不同燃料的闪沸喷雾的研究，归纳了不同燃料特性对闪沸喷雾的影响，总结了多组分燃料的闪沸喷雾特性；通过对非闪沸喷雾与闪沸喷雾研究现状进行对比，归纳了非闪沸与闪沸喷雾的坍塌机理与喷雾坍塌的影响因素。提出了闪沸喷雾可行的研究方向：多组分燃料的闪沸喷雾特性研究、闪沸喷雾坍塌机理研究以及抑制闪沸喷雾坍塌的研究。关键词 闪沸喷雾；非闪沸喷雾；喷雾特性；喷雾坍塌；可视化技术燃油在发动机内的燃烧是一个复杂的过程，燃油的高效燃烧不仅要考虑燃油在不同条件下的燃烧情况[1,2]，还要考虑燃油燃烧前的雾化处理等。缸内喷注式汽油发动机(Gasoline Direct Injection, GDI)是目前主流应用的一种汽车发动机，与其他发动机相比，GDI发动机可以直接将燃油喷射进燃烧室，燃油在燃烧室内与空气混合直接点火进行燃烧，其压缩比相较于其他发动机更高，扭矩和功率提升了10%[3]，燃烧效率更高，泵气损失更低，冷启动时的未燃碳氢化合物(UBHC)更少[4]。在GDI发动机当中，高压喷射技术得到了广泛应用，这是一种通过高压使燃油雾化成小液滴来增强气液间接触与混合的喷油方式，理论上利用这种方式可以提高效率并减少排放。但高压喷射利用高压驱动燃油，容易使燃油的喷射距离过大，撞击到活塞与气缸壁等温度相对较低的位置，无法使燃油燃烧，造成UBHC与烟气排放增多[5]，无法满足日益严格的排放法规，因此亟待研究效率更高、排放更少的喷油技术。将燃油加热并喷射进低压环境时，燃油的温度快速达到沸点并进入过热状态，随后出现的急速沸腾现象为闪急沸腾(简称为闪沸)。Brown等[6]发现过热燃油发生闪沸现象所形成的喷雾与普通喷雾不同，探究了闪沸喷雾的形成机理。Kim等[7]在对闪沸现象的研究中发现，闪沸现象可以减小喷雾液滴尺寸、增大喷雾锥角、缩短喷雾贯穿距离、有效提高燃烧效率并减少排放。Oza[8]在研究中发现闪沸现象存在两种情况，第一种情况是射流在喷嘴内部发生的闪沸现象，可称为内部闪沸；第二种情况是射流到达喷嘴外部后发生的闪沸现象，可称为外部闪沸。两种不同的闪沸模式如图1所示，当射流处于内部闪沸时，射流在喷嘴内发生剧烈相变，当射流离开喷嘴时发生剧烈膨胀，喷雾的宽度显著增加；而射流处于外部闪沸时，射流在喷嘴内的相变减少，射流离开喷嘴后的一段时间后才发生膨胀。目前有关闪沸喷雾的实验与常规GDI发动机中的闪沸喷雾通常属于内部闪沸，而Guo等[9]的研究发现外部闪沸可有效减少喷雾坍塌现象的发生，提高燃烧效率。![]()
图1 内部闪沸与外部闪沸Fig.1 Internal and external flash boiling近年来许多学者[10,11]将新兴的机器学习算法与闪沸喷雾的研究相结合，并证实通过机器学习算法对喷雾特性进行预测可以极大地减少计算时间成本并提高准确性。但是目前机器学习算法对喷雾的预测还有一定的局限性，目前仅能模拟单孔喷油器的简化工况。本工作对闪沸、非闪沸状态下的喷雾特性及影响喷雾形态的因素进行了综述，主要侧重于不同燃料物性对闪沸喷雾特性的影响、对闪沸及非闪沸状态下喷雾坍塌机理的探究以及影响喷雾坍塌的因素。此外，还根据喷雾的研究现状提出新的研究思路，为系统地了解近年来喷雾相关研究现状打下了基础。最后，本工作所提出的研究思路可能在未来的喷雾研究当中起到一定的指导性作用。在气液两相流动的问题当中，空化现象经常会随着闪沸现象一起出现，两种现象极其相似。当不改变温度只改变液体表面的压强，使其表面压强低至一定程度时，液体内部存在的微小气泡快速膨胀变成存在于液体中的明显气泡，这些气泡汇合并连接液体与固体壁，形成空腔，称为空泡。空泡形成、生长和破碎的过程称为空化现象。在高速射流时，通常由于液体射流处于高压，周围的环境压强小于液体压强，此时在射流内部发生汽化，形成大量气泡，大量的气泡聚集并附在喷孔内部壁面形成空泡区，在喷孔内形成局部的气-液两相流[14]，因此空化现象经常发生在高压喷射的条件下。当喷孔内的空泡区成一定规模时，会随着射流一起冲出喷孔，此时会形成超空化现象，在出口处产生强烈的扰动，使喷雾锥角有所增大且使射流极其不稳定。不同于闪沸现象，空化现象有积极的影响，例如，空化现象发生在喷嘴内部时，会产生更多更小更易蒸发的液滴，加强燃油的雾化[15]；但更多表现为消极的影响，例如空化现象会加速船舶螺旋桨叶的腐蚀速度，产生的大量气泡会影响螺旋桨推力，降低效率[16]。目前在对闪沸喷雾的研究当中，学者们普遍采用环境压力与饱和压力之比Rp和过热度SD作为研究闪沸现象的两个标准参数[17-19]：
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式中，Tf为燃料温度(K)，Pa为环境气体压力(Pa)，Ps为燃料温度为Tf时的饱和压力(Pa)，Ts为环境气体压力为Pa时的饱和温度(K)。Wang等[20]在其研究中发现Rp与SD的关系并非完全线性，分别使用两者作为变量研究闪沸喷雾特性时，画出的折线图总有一定差异，如图3所示。随着Rp减小(或SD增大)，喷雾贯穿距离先基本维持不变，随后急剧增大，当Rp<0.1，Rp减小时喷雾贯穿距离持续增大，如图3(a)所示。图3(b)的数据点分布相对图3(a)更加分散，说明在研究喷雾贯穿距离时，采用Rp衡量比采用SD更加准确。Chang等[21]综述了过热度SD、环境压力与饱和压力之比Rp对闪沸喷雾特性影响的研究现状。![]()
图3 不同条件下的喷雾贯穿距离的变化[20]
Fig.3 Comparison of spray penetration change under different conditions[20]
Zeng等[19]利用米氏散射(Mie Scattering)与激光诱导激波荧光(Laser Induce Exciplex Fluorescence, LIEF)的观测技术研究了GDI多孔喷油器中的正己烷、甲醇以及乙醇燃料的喷雾形态结构变化规律，发现Rp可以作为描述闪沸条件下喷雾形态变化的重要无量纲数。当Rp＞1.0时，喷雾处于非闪沸状态；当0.3＜Rp＜1.0时，喷雾开始发生闪沸现象，在此范围内Rp越小，闪沸现象越明显；当Rp＜0.3时，喷雾逐渐开始坍塌。以喷雾贯穿距离和喷雾羽流宽度为标准可将喷雾分为三个阶段，分别为非闪沸阶段(Non-flash-boiling Region)、过渡闪沸阶段(Transition Region)以及完全闪沸阶段(Flare Flashing Region)，如图4[19]所示。非闪沸阶段与过渡闪沸阶段的交界点为闪沸点(Flash-boiling Point)，即喷雾开始发生闪沸；过渡闪沸阶段与完全闪沸阶段的交界点为坍塌点(Collapsing Point)，即喷雾开始出现坍塌现象。除此之外，Zeng等[19]在其研究中对喷雾宏观结构的影响因素进行了研究，发现除了Rp外，宏观喷雾结构还受环境压力的影响，在一定的Rp时，喷雾贯穿距离随着环境压力降低而增加。在此基础之上，他们结合实验数据与计算总结了过渡闪沸阶段和完全闪沸阶段的喷雾特性，得到了关于环境气体密度ρg与液体密度ρl的函数：
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式中，Sp与Sw分别为喷雾贯穿距离(m)与喷雾羽流宽度(m)。![]()
图4 Rp对闪沸及非闪沸喷雾相对蒸汽量的影响[19]Fig.4 Effect of Rp on relative vapor level of flash-boiling and non-flash-boiling sprays[19]到目前为止，针对不同燃料在发动机中的燃烧情况的模拟与实验已经存在非常多的研究[22]，而针对燃料燃烧前雾化处理(闪沸)的研究较少。在近年来对闪沸喷雾的研究当中，许多学者逐渐将重点放在了燃料物性的研究上，目前研究的燃料有异辛烷、正庚烷、正戊烷、正己烷、甲醇和乙醇等，几种常见测试燃油在常温(20℃)下的物性见表1。表1 几种常见测试燃油在常温(20℃)下的物性[23,25]Table 1 Physical property of several common fuels tested at room temperature (20℃)[23,25]
在使用乙醇(Ethanol)为测试燃料进行闪沸喷雾形态观测的研究(图5[23])中，当Rp为0.28时，乙醇喷雾开始坍塌[24]；随着Rp从1降至0.16的过程中，喷雾贯穿距离在测试燃料中变化最小，Rp降至0.16以下时，喷雾贯穿距离突然显著增加[25]；Rp从1降至0.85再降低至0.54的过程中，喷雾锥角呈先减小后增大的趋势，Rp从0.54继续降低，喷雾锥角会突然减小，Rp降低至0.16时，喷雾锥角又显著增大[25]。当在挥发性较弱的燃料中加入乙醇后，会导致燃料发生更强的闪沸作用，这是由于乙醇的挥发性强[26,27]。Yan等[26]与Wang等[28]在研究中发现，燃料的汽化潜热越高，闪沸喷雾液滴的索特平均直径越大，由于汽化潜热高，乙醇喷雾液滴的索特平均直径相对较大。![]()
图5 三种燃料在不同Rp下的喷雾图像[23]Fig.5 Spray images of three fuels at different Rp[23]当测试燃料更换为异辛烷(Iso-octane)时，异辛烷喷雾在Rp为0.28时开始出现坍塌现象[24]；随着Rp降低，异辛烷喷雾的贯穿距离持续增加；异辛烷的喷雾锥角随Rp的变化无明显规律[25]；此外，异辛烷的索特平均直径在相同Rp下比其他测试燃料小[25]，这也证实了Yan等[26]与Wang等[28]有关汽化潜热对喷雾液滴索特平均直径的影响的结论。如图5所示，戊烷(Pentane)在Rp为0.18时出现喷雾坍塌现象[24,29]；Rp为0.2~0.4时，戊烷闪沸喷雾的远场角度急剧地减小，Zhao等[29]认为这个现象是由于戊烷较高的蒸汽压与较低的汽化潜热引起，在汽油中增加蒸汽压较大的成分(如戊烷)会增加汽油喷雾的闪沸强度；Zhou等[30]发现在多组分混合燃料中加入戊烷可以增强燃料的雾化效果，且多组分混合燃料中的轻组分(如戊烷)会拓宽喷雾羽流，增强羽流之间相互作用，促进喷雾坍塌。Wang等[28]还发现在高沸点燃料中加入低沸点成分可以促进多组分燃料闪沸的发生。Mojtabi等[24]也发现在相同的大气条件下，低沸点燃料比高沸点燃料更容易过热。由于多组分燃料没有恒定的饱和压力，因此学者们通常采用气泡点压力代替多组分燃料的饱和压力。在Zeng等[19]得出的修正喷雾贯穿距离函数的基础上，Gao等[31]选取了沸点有着显著差异的异戊烷和正十一烷两种烃类燃料混合以研究双组分燃料的闪沸喷雾特性，由于多组分燃料的特性，Rp不能直接用于预测多组分燃料的闪沸喷雾特性，提出了一种考虑露点压力和气泡点压力以及轻燃料组分摩尔分数的等效饱和压力Ps,e，通过计算过热指数Pa/Ps,e的方法来预测双组分燃料的闪沸喷雾特性。Ps,e是关于露点压力、气泡点压力和轻质燃料摩尔分数的函数：
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式中，β为关于γ的修正函数，γ为混合燃料中轻组分的摩尔分数，Pd为露点压力(Pa)，Pb为气泡点压力(Pa)，C为拟合常数。经过研究验证，过热指数Pa/Ps,e可以估算不同燃料混合比时的双组分燃料的喷雾结构，比值越小，该双组分燃料的闪沸喷雾强度越高。当双组分燃料中轻质燃料组分浓度较低的时候，该方法会低估系统的闪沸强度。Zhou等[30]利用了米氏散射的观测方法，选用不同比例的正戊烷、异辛烷和正癸烷来模拟汽油的喷雾特性，并根据Zeng等[19]和Gao等[31]的研究内容提出了两个补偿参数，即环境气体密度修正系数K1与正戊烷比例修正系数K2：
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式中，ρg为气体密度(kg/m3)，ρl为液体密度(kg/m3)，a, b, c均为常数，可结合标准S型函数(Standard Sigmoid Function)求得。K1的补偿使环境气体密度对喷雾羽流之间相互作用的影响得以忽略，K2的补偿消除了由轻质组分比例不同而造成的K1补偿效果不均匀的现象。最终确定了(K1/K2)·(Pa/Pb)可作为烷烃多组分燃料新的过热指标。在文献[30]中，他们提出用轻质组分比例来补偿气泡点压力与饱和压力差距的分析方法，为多组分燃料的研究奠定基础，开拓了多组分燃料闪沸喷雾特性研究的方向。二甲醚(Dimethyl Ether, DME)由于具有低沸点和高饱和蒸汽压等物性被广泛用作为一种绿色清洁代用燃料，这些物性特点会使燃料的闪沸现象更容易发生，产生更好的雾化效果。DME可通过多种工艺制备，如纯氧-水蒸气地下气化工艺、一步法制备工艺、甲醇脱水制备工艺等[32-34]，具有工艺灵活、价格低廉、流程简短的优势。综上，高挥发性燃料会增强闪沸作用，但在多组分混合燃料当中，低挥发性燃料的比例较高时，燃料的闪沸喷雾会更稳定。低沸点燃料更容易发生闪沸现象。燃料的汽化潜热越高，闪沸喷雾液滴的索特平均直径越大。轻质燃料相对更容易进入闪沸状态[30,31]。研究多组分燃料喷雾特性时，不能简单地用Rp来衡量其闪沸强度，通常采用燃料气泡点压力代替饱和压力并进行一定的补偿后才能较为准确地衡量多组分燃料的喷雾特性。由于多组分燃料复杂的物性，目前还无法对多组分燃料的闪沸喷雾形态进行准确预测，不同燃料物性对闪沸喷雾的影响的研究目前仍不够具体全面，因此多组分燃料以及不同燃料物性时的闪沸喷雾特性是一个具有巨大潜力的研究方向。当使用多孔喷油器时，多个喷雾羽流之间有着相互靠近的倾向，在某种特定条件(如闪沸)下，相互靠近的羽流合成为一体，称为喷雾的坍塌[35]。对喷雾坍塌的研究是近年来兴起的，之前的研究相对较少。已经证实喷雾坍塌会弱化雾化效果，导致喷雾整体的贯穿距离提高[36]，进而导致燃料附着在气缸壁与活塞顶等位置，在其表面形成油膜，导致燃烧效率下降、未燃碳氢排放增加，因此要尽量避免喷雾坍塌的发生。图6[37]为85℃的正己烷燃料在Rp分别为0.61和0.18时的喷雾形态，从图中可以直观地观察到喷雾坍塌前后的形态，喷雾坍塌后喷雾锥角减小而喷雾贯穿距离有所增大。喷雾坍塌导致的雾化效果弱化降低了发动机效率，为了减少这种情况的发生需要对喷雾坍塌的机理进行研究。![]()
图6 喷雾坍塌形态示意图[37]Fig.6 Schematic diagrams of mophology of spray collapse[37]Nishida等[38]在双孔非闪沸喷雾的研究中改变两喷嘴的夹角，观测的喷雾气液两相分布特性，当两喷嘴的夹角小于一个阈值时，即使喷雾不在闪沸状态下，喷雾也发生了坍塌现象。这说明不仅在闪沸喷雾中会发生喷雾坍塌，某些情况下非闪沸喷雾也会发生坍塌，这一观点在随后的众多研究[39-41]中也得到了证实。Heldmann等[42]认为非闪沸喷雾坍塌的原因是射流与周围空气的动量交换和卷吸作用导致射流周围的压强降低，当采用多孔喷射时，多个射流所包围的中间区域形成了低压区，导致喷雾内外存在着压差，随着时间推移，低压区逐渐稳定，最终导致喷雾坍塌发生。Yang等[43]提出，非闪沸喷雾坍塌是由于各喷雾羽流重叠，使多个喷雾羽流所包围的区域与外部隔绝，喷雾内部的压降无法及时得到补偿，最终在中间形成稳定的低压区从而导致喷雾坍塌。以上两种作用下的非闪沸喷雾的坍塌机理可以总结为射流诱导坍塌，如图7所示。![]()
图7 射流诱导坍塌原理示意图Fig.7 Schematic diagrams of jet-induced collapse mechanism(a) Non-collapse spray (b) Collapsed spray
虽然闪沸喷雾坍塌与非闪沸喷雾坍塌的喷雾宏观形态相差不大，但是闪沸喷雾的坍塌机理更加复杂，目前闪沸喷雾的坍塌机理还未形成共识。Guo等[41]和Li等[44]发现闪沸条件下射流产生的大量蒸汽会将高速射流导致的低压区抵消，因此射流诱导坍塌机理在闪沸喷雾条件下并不完全适用。因此Guo等[41]与Li等[36]认为闪沸条件下的喷雾坍塌的原因是射流温度骤降以及射流液滴与蒸汽间径向动量相抵消产生蒸汽冷凝。蒸汽冷凝现象的出现会大大降低喷雾内部的蒸汽分压，形成局部低压区，从而引发坍塌，这种坍塌机理被称为冷凝诱导坍塌。Xu等[45]观测了两喷孔闪沸喷雾的坍塌，结果表明，当两喷雾羽流相接触时，羽流之间发生相互作用，沿着喷雾中心轴形成次生羽流(Secondary Plume)，随着次生羽流的发展扩张，羽流完全合并发生喷雾坍塌，次生羽流形成所诱导的喷雾坍塌过程如图8所示。Xu等[45]认为次生羽流的生成与发展是导致闪沸喷雾坍塌的原因。有学者认为由于欠膨胀射流之间的作用而形成次生羽流[46]；还有学者认为次生羽流由蒸汽冷凝形成[36]。目前有关次生羽流的形成机理尚未达成共识。![]()
图8 次生羽流诱导坍塌示意图[45]Fig.8 Schematic diagrams of secondary plume induced collapse mechanism[45]对于闪沸喷雾坍塌，Guo等[47]提出了一种膨胀诱导坍塌的假设：当过热燃油离开喷嘴后发生剧烈相变，形成欠膨胀的两相流，由于其压力大于背压，两相流持续膨胀直至压力等于背压，此时在惯性的作用下，两相流继续膨胀，其内部压力降低，形成了低压区，从而导致了闪沸喷雾的坍塌。在对膨胀诱导坍塌的假设进行进一步研究的过程中，Guo等[48]通过数值模拟的方式发现闪沸条件下的两相流在惯性作用的过度膨胀下产生了激波(Shock Wave)，多个喷雾羽流产生的多个激波相互作用，在喷雾中间形成二级胞格(Second Cell)，对其周围的压力分布产生了影响，最终导致坍塌。Gärtner等[49]利用OpenFOAM求解器对单孔和多孔喷射器的喷雾坍塌进行数值求解，得出了与Guo等[48]相同的结果。Zhang等[50]在双孔GDI喷嘴的实验与模拟中观测了激波之间的相互作用。他们发现随着激波间相互作用强度增加，可以观察到次生羽流和喷雾坍塌现象，如图9[50]所示。这一发现从实验的角度确定了激波间相互作用在闪沸喷雾坍塌中起主导作用，同时也说明了次生羽流在闪沸喷雾坍塌中产生一定的作用。![]()
图9 双喷孔GDI喷油器的激波间相互作用示意图[50]Fig.9 Schematic diagram of interaction of shock waves in double-hole GDI injector[50]综上，目前对于非闪沸喷雾坍塌的机理普遍接受可用射流诱导坍塌来解释。闪沸条件下产生的大量蒸汽会抵消高速射流导致的低压区，射流诱导坍塌用于解释闪沸喷雾坍塌的机理并不完全适用。闪沸喷雾由于急速蒸发产生了相当数量的液滴，严重阻碍了对闪沸喷雾坍塌机理的直接观测。Xu等[45]采用减少喷嘴数量的方法来降低液滴对观测的影响，这种方法营造的工况环境与实际工况中的多喷孔并不完全相符。文献[47-49]采用数值模拟的方法，提出膨胀诱导坍塌的假设来解释闪沸条件下的喷雾坍塌，膨胀诱导坍塌的理论可以合理地说明闪沸条件下的喷雾坍塌，但缺少实验研究的支撑。目前闪沸喷雾坍塌的机理主要有冷凝诱导坍塌、次生羽流诱导坍塌以及膨胀诱导坍塌，根据闪沸喷雾坍塌的机理研究现状可以认为，闪沸喷雾坍塌是一个复杂的过程，三种机理在闪沸喷雾的坍塌中均起到了一定作用，膨胀诱导坍塌中产生的激波间相互作用对闪沸喷雾坍塌起主导作用。为了有效抑制喷雾中的坍塌现象，需要考察影响喷雾坍塌的因素。在非闪沸条件下，Nishida等[38]发现随着喷孔之间的夹角减小，各射流逐渐趋向喷油器轴线，喷雾坍塌更易发生。Dahlander等[40]发现射流间距越小，非闪沸喷雾坍塌越容易发生。Kim等[51]发现随着环境压力提高，喷雾锥角逐渐增大，各射流之间的间距逐渐减小，导致非闪沸喷雾的坍塌强度增大，其他学者发现了相同现象[41,52,53]。Sphicas等[53]发现提升环境温度后，非闪沸喷雾的坍塌得到一定程度增强。Li等[54]发现随着喷射压力增大，射流速度增大，射流对周围气体的卷吸作用增强，非闪沸喷雾强度增大。在闪沸条件下，Guo等[48]认为影响喷雾坍塌程度的两个关键因素为喷油器的喷孔布置与燃油的热力学条件。Chang等[55]采用两种喷孔位置不同的喷油器研究闪沸条件下的喷雾特性，发现喷雾坍塌的可能性与喷孔间距呈负相关，除此之外他们还发现孔直径越小，喷雾越容易发生坍塌。Zeng等[19]认为当Rp＜0.3时，喷雾在闪沸条件下开始发生坍塌现象，之后Lacey等[18]发现Rp作为衡量是否发生喷雾坍塌的标准时并不具有通用性，并为衡量喷雾的坍塌提出了新的参数Dn：
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式中，dt表示喷嘴喉管直径(m)，dc,fuel表示喷雾羽流直径(m)，dcollapse表示喷雾坍塌时的直径(m)。Dn对喷雾坍塌的程度进行了描述，并根据其大小将喷雾坍塌过程分为三个阶段：(1) 当Dn≤dt/dcollapse时，喷雾没有发生坍塌，燃油也没有欠膨胀；(2) 当dt/dcollapse＜Dn＜1时，羽流之间发生适度的相互作用，燃油欠膨胀；(3) 当Dn≥1时，喷雾出现严重、明显的坍塌现象。Zhang等[50,56]发现单孔喷油器闪沸喷雾中出现的激波结构的宽度和长度随环境压力降低而增大；激波宽度整体上随着燃料温度增加而增加，而燃料温度对激波长度的影响非常微小。激波间相互作用的强度也主要受这两个因素的影响。当激波间相互作用达到一定强度时，将会观察到喷雾坍塌。因此，适当降低燃料温度、增加环境压力可以抑制由激波间相互作用导致的闪沸喷雾坍塌。Guo等[9]从内部闪沸与外部闪沸的区别来研究闪沸喷雾坍塌的抑制手段，提出实现外部闪沸从理论上是由于减小了喷嘴出口处的喷雾重叠(图1)，从而对喷雾坍塌有一定抑制作用。他们对之前学者的闪沸喷雾研究的实验条件进行对比，发现内部闪沸通常在Rp较高的条件下发生，而外部闪沸通常在Rp较低的条件下发生。但是这个规律并不适用于所有情况，仍需进一步的研究，这为抑制闪沸喷雾坍塌的研究提供了新的思路。综上，影响非闪沸喷雾及闪沸喷雾坍塌的因素可以总结为表2。对于非闪沸喷雾，喷嘴夹角和喷嘴间距的降低使喷雾更易发生坍塌，环境压力和环境温度提高使喷雾更易发生坍塌；对于闪沸喷雾，喷嘴直径、喷嘴间距以及环境压力的降低会增加喷雾坍塌的可能性，提高燃料温度同样也会增加喷雾坍塌的可能性。表2 影响非闪沸及闪沸喷雾坍塌的因素Table 2 Factors affecting non-flash boiling and flash boiling spray collapse
本工作对闪沸喷雾的研究进行了综述总结，着重于燃料物性对闪沸喷雾特性的影响、喷雾坍塌机理以及影响喷雾坍塌的因素，提出了可行的喷雾研究方向，得到如下结论：(1) 挥发性较强的燃料会促进喷雾的闪沸、增加闪沸的强度，但多组分混合燃料当中，挥发性较弱的燃料会使闪沸喷雾变得更加稳定。低沸点的燃料可以促进喷雾的闪沸。燃料的汽化潜热越高，该燃料闪沸喷雾的液滴尺寸越大。轻质燃料相对更容易进入闪沸状态。(2) 在对多组分燃料的喷雾特性进行研究时不能采用和单组分燃料同样的参数进行衡量，目前已提出的(K1/K2)•(Pa/Ps)可以作为多组分燃料新的过热指标，以衡量烷烃多组分燃料的闪沸喷雾强度与羽流之间相互作用强度。但是该指标只适用于烷烃多组分燃料，是否适用于其他类型燃料还需要更进一步的实验验证。(3) 非闪沸喷雾的坍塌主要是由高速射流卷吸和喷雾羽流之间相重叠阻止射流内外空气交换，从而在内部形成的低压区所引起的。闪沸喷雾的坍塌机理根据实验假设同样也是由内部形成的低压区所引起的，但低压区形成的原因目前还没有统一、确定的说法，目前最可能的膨胀诱导坍塌理论也缺乏实验数据的支撑。(4) 非闪沸喷雾坍塌强度与闪沸喷雾坍塌强度的影响因素并不完全相同，例如随着环境压力升高，非闪沸喷雾坍塌强度增大而闪沸喷雾坍塌的强度却减小。闪沸喷雾研究新的思路如下：(1) 多组分燃料的闪沸喷雾特性研究：针对可衡量多组分燃料闪沸喷雾的过热指标进行研究。(2) 闪沸喷雾坍塌机理的研究：实验验证现有的闪沸喷雾坍塌机理或提出新的闪沸喷雾坍塌机理。(3) 抑制闪沸喷雾坍塌的研究：根据影响喷雾坍塌情况的因素，对抑制喷雾坍塌进行详细的研究，如探究造成喷雾内部闪沸与外部闪沸的原因。Research status and prospect of flash boiling spray
Jian GAO Run HONGWenlong DONGNian XUHuaqiang CHU ![]()
School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Ma'anshan, Anhui 243002, ChinaAbstract: The rapid boiling that occurs when high-temperature fuel is injected into a low-pressure environment is called flash boiling, reasonable use of flash boiling phenomenon can effectively improve the atomization effect of fuel spray and improve engine efficiency. The research on the flash boiling phenomenon can be traced back to more than 60 years ago. With the development of the research on the flash boiling spray, the focus of the spray-related research has gradually shifted to the spray collapse. The related theories of flash boiling spray are summarized in this review, and some visualization techniques commonly used in the observation of flash boiling spray are briefly introduced. The influence of different fuel characteristics on the flash-boiling spray is illustrated by comparing different fuel characteristics. The characteristics of flash boiling spray of multi-component fuel are summarized. The superheat index which can be used to measure the flash boiling spray of multi-component fuel are introduced. The collapse mechanism of non-flash boiling spray and flash boiling spray and the influencing factors of spray collapse are studied by comparing the research status of non-flash boiling spray and flash boiling spray. It is generally considered that the collapse mechanism of non-flash-boiling spray is jet-induced collapse, and flash-boiling spray seriously affects the experimental observation because of too many droplets. Therefore, the understanding of the collapse mechanism of the flash boiling spray is numerous but not certain. In addition, according to the above summary, several feasible research directions are put forward for the spray research: effect of different fuel properties on flash boiling spray, study of parameters to measure the degree of superheat of multi-component fuels, the study on the collapse mechanism of the flash-boiling spray and the study on the suppression of the collapse of the flash-boiling spray.Keywords: flash boiling spray；non-flash boiling spray；spray characteristics；spray collapse；visualization technology引用本文： 高健, 洪润, 董文龙, 等. 闪沸喷雾的研究现状与展望. 过程工程学报, 2024, 24(3): 273-283. (Gao J, Hong R, Dong W L, et al. Research status and prospect of flash boiling spray (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(3): 273-283, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223157.)
作者简介：高健，硕士研究生，动力工程及工程热物理专业，E-mail: bymonica@126.com；
作者简介：楚化强，教授，研究方向为低碳燃烧与能源利用，E-mail: hqchust@163.com
基金信息： 国家自然科学基金资助项目(编号：52176095)；安徽省杰出青年基金项目(编号：2008085J25)
中图分类号： TK411
文章编号：1009-606X(2024)03-0273-11
文献标识码： A
收稿日期：2023-05-26
修回日期：2023-08-23
出版日期：2024-03-28
网刊发布日期：2024-04-03
