3.3環境溫度對醇類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，噴霧開始后時刻0.2~1.4 ms內，噴霧形態隨環境溫度變化的對比圖。

圖4不同環境溫度和噴霧開始后時刻下甲醇的噴霧形態

圖5不同環境溫度和噴霧開始后時刻下乙醇的噴霧形態

圖6不同環境溫度和噴霧開始后時刻下正丁醇的噴霧形態

噴霧開始后1.0 ms時刻、環境溫度為20℃時，3種醇類燃料的噴霧形態無明顯差異，此時環境溫度較低，均未到達各燃料的沸點，圖像中的各路醇束較為清晰，無明顯蒸發和互相干涉現象。環境溫度升高至70℃，此時已超過甲醇的沸點，溫度的升高使燃料的動力黏度和密度減小，表面張力下降，燃料中的分子運動速度加快，分子間距增大，分子之間的作用力減小，液滴更容易破碎，使醇霧更容易產生。溫度到達120℃時，3種燃料在噴射過程中都產生了大量醇霧，各支醇束之間相互干涉、重疊，高溫環境使噴霧液滴的軸向貫穿動量降低，各燃料的整體噴霧長度略有縮短。3種燃料中，甲醇燃料的噴霧形態所發生的改變十分明顯，高溫的環境使甲醇產生大量醇霧，同時噴霧向軸線收縮，錐角減小的幅度較大。與乙醇、正丁醇相比，甲醇具有更低沸點和較高揮發性，在噴射過程中液滴受環境空氣加熱，黏度和表面張力降低，很快發生破碎并轉化為氣態，形態的轉變使液滴的動量減小，從而抑制了噴霧的擴散。

噴霧錐角隨環境溫度的變化規律如圖7所示。由圖7可以看出，醇類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環境溫度升高而減小。其中甲醇噴霧的錐角變化尤其明顯，相比之下，正丁醇在高溫環境中錐角僅顯示出小幅度變化。這是由于正丁醇的沸點溫度高于甲醇和乙醇，未達到沸點溫度時，醇霧形態變化較小，這也再次凸顯了燃料特性對噴霧收斂程度的影響。

圖7環境溫度對醇類燃料噴霧錐角的影響

在試驗中發現，高溫高壓的環境對噴霧形態產生了較大的改變，相比于單種工況，環境溫度和背壓共同對噴霧形態有著更復雜的影響。圖8為3種醇類燃料在不同溫度（20℃、70℃、120℃）、不同背壓（0.1 MPa、0.7 MPa）的環境下，噴射壓力為20 MPa時的噴霧軸向貫穿距的變化。

圖8噴射壓力為20 MPa時不同溫度不同背壓對噴霧貫穿距的影響

隨著環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，燃油液滴的顯熱會隨之增大，加速了燃油的蒸發過程，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。

環境溫度升高至70℃、120℃時，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，這與常溫常壓的環境條件下完全相反。盡管正丁醇的潛熱較低，但環境溫度和壓力的升高使甲醇和乙醇的過熱度高于正丁醇，進而引發更高的顯熱，提升了甲醇和乙醇的蒸發率，導致醇束發展緩慢。

3個測試條件中，高溫狀態下正丁醇的噴霧發展最為顯著。原因在于正丁醇在高溫環境中液體蒸發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噴孔時的流動性較差，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，減少了與空氣介質的接觸面積，從而降低了蒸發速度，保持了良好的液體噴射長度。正丁醇的這一特性在高溫環境中為噴霧發展提供了更多的動量，促進了噴霧軸向貫穿距的發展。

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噴射壓力的提高而增大，隨環境壓力的提高而減小；噴霧錐角相比于貫穿距和面積，受噴射壓力的影響不夠顯著，但受環境條件的影響較大，背壓的增大使錐角減小，環境溫度的升高也會使錐角減小。

（2）相同的環境和噴射條件下，不同醇類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、動力黏度、表面張力、沸點溫度、汽化潛熱等燃料性質是決定噴霧形態發展的關鍵參數。

（3）在3種醇類燃料中，正丁醇的動力黏度和表面張力較大，在常溫常壓工況下噴霧發展較慢，但在較高環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度明顯大于甲醇和乙醇，并在噴霧發展過程中保持了良好的穩定性。