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生物柴油静电雾化机理及喷雾特性的研究

黄继伟  
【摘要】: 生物柴油由于具有和柴油接近的动力性能和比柴油优越的燃烧和排放性能而备受关注,寻求其高效率的燃烧方式一直受到热力机械领域的广泛关注。雾化质量直接影响燃烧效率和污染物的排放,而雾化特性和喷雾流场又是喷雾燃烧领域的重要研究内容。提高雾化特性和改善喷雾流场是研究者一致追求的目标。目前通过提高喷射压力的方式改善雾化质量其能耗高、难以控制流场且增加了管路系统的加工难度和成本。静电雾化技术在改善雾化特性、控制流场等方面具有显著的优势。静电喷雾燃烧具有较高的研究价值,并且在热机领域有广阔的应用前景。开展生物柴油静电雾化的研究,为开发新型、高效、低污染的代用燃料燃烧技术和热力机械提供新思路。 本文首先从理论上分析了不同温度下燃油液滴的荷电情况,获得了雾滴的荷质比随时间的变化规律,表明蒸发有利于促进液滴的荷电破碎,为研究生物柴油单液滴在多场耦合作用下的荷电破碎机理奠定基础;采用高速摄像技术,对生物柴油荷电液滴的形变特征及运动规律进行了观察研究,结果表明:由于电导率的差异,生物柴油的卫星颗粒基本沿着毛细管轴向运动,而水的卫星颗粒同时具有轴向运动和径向运动。对锥射流的微观特征进行了分析对比,发现生物柴油和水的锥射流存在明显差别;从荷电微喷的角度出发,分析描述了电荷衰减机制对生物柴油喷雾形态的影响,并结合高速摄像、显微摄影技术以及PDA光学测量手段对大流量荷电喷雾射流的荷电特性及喷雾特性进行了实验研究,表明静电雾化技术在提高生物柴油雾化质量及增强射流边缘的湍动度方面具有明显优势;采用PIV测量技术对不同荷电方式下的速度场、涡量以及流线分布等流场进行了测量分析,并对生物柴油和水的流场进行了对比研究,表明静电雾化改变了喷雾射流的速度场,增加了喷雾涡量区,有利于提高能量交换性能,对卷吸雾滴的运动作用十分显著,有利于提高气液混合速率,强化传热传质效果。由于荷电机理不同,接触荷电和环电极感应荷电的喷雾流场明显不同,为深入开展生物柴油的荷电喷雾燃烧的研究奠定了基础。


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