纳米流体燃料液滴的形成和脱落特性

郭 枫，黄雪峰，李盛姬，何兰蛟

(1.杭州电子科技大学理学院，浙江 杭州 310018； 2.杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

纳米流体燃料液滴的形成和脱落特性

郭 枫1，黄雪峰1，李盛姬2，何兰蛟1

(1.杭州电子科技大学理学院，浙江 杭州 310018； 2.杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

以纳米铝(50 nm)-乙醇纳米流体燃料为对象，通过实验研究了流动速度、粒子载荷率和毛细管管径等对液滴形成和脱落过程的影响.当流速较低时，液滴形成过程中存在沿毛细管外表面的回升润湿现象.提高流速，纳米流体燃料流体由周期性滴状下落变为准周期至射流状.与纯乙醇相比，纳米流体燃料液滴的形成时间更短，液滴高度增长更快.

纳米流体；纳米铝；液滴形成；液滴脱落；液体燃料

0 引 言

纳米流体是把纳米金属或非金属粉体等分散到传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质[1].由于其具有优异的传热、传质、及光学特性[2-4]，因此受到广泛应用.纳米金属粉末本身为具有高燃烧热值的燃料，当基液为醇、油类燃料时，便可制成纳米流体燃料.纳米流体燃料具有高的能量释放率以及良好的点火和燃烧特性[5-7].纳米流体燃料在液体火箭发动机、内燃机和航空发动机等动力装置中具有巨大的应用潜力，但其燃烧模式均为液滴燃烧，因此纳米流体燃料液滴的形成和脱落是其燃烧特性研究的重要前提之一.

在毛细管末端形成的液滴形貌、颈部及断裂位置与轴线上速度、内部涡环形成与湮灭相关[8]，而且液滴内部速度、剪切率和粘度分布不同[9].当流体为粘塑性流体时，其液滴形成和脱落表现出不同的特性[10]，粘性和波数对脱落“卫星”液滴数量有较大影响[11].针对纳米流体燃料液滴形成和脱落中的基本问题，本文采用微泵推动纳米铝-乙醇纳米流体燃料在毛细管末端形成液滴，利用高速摄像仪捕捉液滴形成和脱落过程，采用数字图像处理方法提取特征参数，分析了流动速度、粒子载荷率、毛细管管径等对形成的主液滴的时间、形状、大小、颈部位置和尺寸、液滴高度、脱落表面波幅值和“卫星”液滴等的影响.

1 液滴形成和脱落原理

流体在毛细管末端由于惯性力、表面张力、重力和粘性力的共同作用下形成球冠，然后增长为半球形、梨形、保龄球形.当流体达到临界状态时，液滴出现颈部标志.最小颈部的直径为DN，与毛细管末端的距离为LN，液滴最底部距离毛细管末端的长度(滴液高度)为L.由于液滴的不稳定性运动，颈部直径逐渐减小，与毛细管末端的距离增加，滴液高度增大.

2 液滴形成和脱落实验

2.1 纳米流体燃料制备

基液燃料选用无水乙醇，纳米颗粒选用金属铝.纳米铝粉由上海超威纳米科技有限公司生产，为球形颗粒，其平均粒径50 nm，氧化层厚度约为3 nm～5 nm.称量若干的纳米铝粉，量取100 ml的无水乙醇，将铝粉置入乙醇中，采用超声振荡30 min，使纳米颗粒均匀分散在乙醇溶液中.由于纳米铝粉在乙醇中具有良好的分散能力[13]，因此未使用表面活性剂或任何其他的添加剂.配置的纳米铝-乙醇的粒子载荷率分别为1.0 mg·ml-1，2.0 mg·ml-1，3.0 mg·ml-1，5.0 mg·ml-1和10.0 mg·ml-1.纳米铝粉悬浮约1 h后开始沉降和团聚，因此超声振荡结束并冷却10 min后立即进行实验，否则由于纳米铝粉的沉降和团聚导致出现较大的实验误差.

2.2 实验装置

图1 实验装置示意图

图1为实验装置示意图，流体通过安装在微泵(浙江史密斯医学仪器有限公司，双道微量注射泵WPZS-50F6)上的注射器推动，流经软管到达毛细管，在毛细管末端产生液滴.毛细管内径分别为300 μm，500 μm和1 000 μm，其对应的外径分别为500 μm，700 μm和1 300 μm.流体的流量可通过微泵进行精确控制，其流量调节范围为0.1 ml·h-1～1 200.0 ml·h-1.

通过高速摄像仪(美国Phantom公司，M-310)拍摄液滴，利用自编程的数字图像处理技术提取特征参数.使用的最高帧率为35 000 fps，像素为360×240，分辨率为1.0 μm/像素，尺寸测量采用显微标尺标定法.由于主液滴为单颗液滴，呈现不规则形状，因此，采用图像处理方法来计算主液滴的等效粒径，即Dd=4Sd/Ld，其中Sd和Ld为主液滴的面积和周长.

3 结果分析与讨论

3.1 纳米流体燃料液滴的形成和脱落过程

3.1.1 缩颈和脱落

图2为典型的液滴形成中的缩颈和脱落过程.纳米流体粒子载荷率为5.0 mg·ml-1，毛细管内径为300 μm，毛细管内的流速约为3.93 μm·s-1.环境气体为常温常压下的空气，处于自然对流状态.流体在微泵的推动作用下，在毛细管末端形成稳定的保龄球状，如图2(a)所示.此时，悬挂液滴的颈部直径与毛细管外径相同，表明流体润湿了毛细管底部壁面.

随着流体不断注入，液滴与毛细管之间出现颈状的液桥，如图2(b)所示，流体通过液桥进入下端的液滴.液滴不断降低，颈部液桥直径逐渐减小，如图2(c)―(f)所示，最小颈部位置向下移动直至液桥第一次断裂，如图2(g)所示，断裂位置靠近脱落的主液滴.颈部液桥断裂时，主液滴发生振荡.而与毛细管末端相连的颈部液桥底部，微泵依然连续地通过颈部液桥注入流体，因此底部的微小液滴逐渐增大，如图2(h)所示，最后导致液桥发生第二次断裂，如图2(i)所示，断裂位置靠近毛细管末端.第二次断裂后的上部分流体继续收缩至毛细管末端，为下一滴液滴的形成做准备.而下部分颈部液桥收缩为一颗球形液滴，即“卫星”液滴，如图2(j)所示，也可能再次发生断裂形成多颗“卫星”液滴.

图2 内径为300 μm毛细管末端的纳米流体燃料液滴缩颈和脱落时刻

纯乙醇液滴的脱落过程与纳米铝-乙醇液滴相似.选择颈部液桥形成后欲发生变形的时刻作为零时刻，主液滴脱落的时刻为终点时刻，最小颈部直径和滴液高度的变化如图3所示.

图3 纳米流体与纯乙醇燃料液滴形成和脱落过程

无论是纳米流体燃料还是纯乙醇燃料，其最小颈部直径都呈指数形式衰减，而液滴高度呈线性增加.相对于纯乙醇燃料，纳米流体燃料形成的液滴时间更长，高度和长宽比更大、球形度更小.由于纳米铝颗粒的密度大于乙醇，因此纳米流体燃料的密度大于纯乙醇燃料的密度，在相同体积情况下纳米流体燃料液滴的重力更大，导致液滴更加细长.在颈部液桥出现的初始阶段，纳米流体燃料与纯乙醇燃料的最小颈部直径相当，而且变化很小.随着液滴体积的增加，纳米流体燃料的颈部直径比纯乙醇燃料的衰减更快.

基于纳米铝-乙醇纳米流体燃料和纯乙醇燃料形成的主液滴直径分别为毛细管外径的3.95倍和3.85倍，“卫星”液滴直径分别为毛细管外径的1/8和1/9.可见，添加的纳米铝对液滴密度、表面张力和粘性系数产生较大影响[14-15]，造成主液滴和“卫星”液滴直径的增大.

3.1.2 回润现象

在低流速时，可清楚观察到液滴在毛细管外表面的回升润湿现象，如图4所示.纳米流体粒子载荷率为5.0 mg·ml-1，毛细管内径为300 μm，流速为0.090 mm·s-1.在液滴形成初始阶段，毛细管末端出现半球状液滴，如图4(a)所示，此后滴液逐渐回升润湿毛细管外表面，如图4(b)所示.随着流体的注入，润湿的表面扩大，如图4(c)—(h)所示.润湿面积的大小取决于毛细管的粗糙度，即受表面张力控制.当液滴的重力逐渐达到并超过粘性力和表面张力的作用时，润湿毛细管外表面的液滴逐渐下滑至毛细管末端，如图4(i)—(l)所示.

图4 低流速时，纳米铝-乙醇纳米流体燃料液滴的形成初始阶段的回润现象

3.1.3 过渡态

当流速增大到一定程度，在毛细管末端不能像低流速时产生周期性的滴状形液滴，而是具有一定长度的圆柱形液柱，在液柱末端产生非周期性的滴状形液滴.由于流动状态还未满足射流条件，因此称该流动状态为滴状向射流过渡的过渡态.图5为过渡态的典型案例，毛细管和环境参数与图3相同，流速为0.723 mm·s-1.为了清晰地呈现流体的流动状态，采用数字图像处理技术提取出流体的轮廓.图5为液滴形成的某一个周期，纳米流体从产生圆柱形液柱至液柱末端液滴脱落，周期为7.742 ms.图5(a)为产生的圆柱形液柱，其长度为毛细管外径的2.7倍，直径略小于毛细管外径，表明在毛细管末端壁面的润湿性减小.逐渐从图5(b)—(h)形成一个半波，从图5(i)—(p)形成一个全波.

图5 纳米铝-乙醇纳米流体燃料液滴形成和脱落过渡态中，不同时刻的表面波增长

假设液柱底部的正对称表面波如图6(a)所示，在相位φ=2nπ，n=0，±1，±2，…时，其最大幅值为Amax(+)，在相位φ=2nπ+π，n=0、±1、±2、…时，其最小幅值为Amin(-).图6(b)为最大幅值的增长率AmaxR-1，拟合后可知表面波增长率ω=0.378，波长λ≈2Do.

图6 纳米流体燃料液滴形成过程中过渡态表面波变化情况

3.1.4 射流

当流速进一步提高，毛细管末端不再出现滴状液滴，而是形成圆柱形液柱，其长度会达到毛细管外径的10倍以上.由于液柱与环境的相互作用，在液柱末端依然形成滴状形的微小液滴，液滴的直径比毛细管外径稍大，远小于滴状形液滴的直径.对于纳米流体粒子载荷率为5.0 mg·ml-1，毛细管内径为300 μm，速度为0.747 mm·s-1时，毛细管末端的流体呈射流状.

3.2 流体流动速度对液滴形成和脱落的影响

流体流动速度的不同将导致液滴脱落时主液滴直径、“卫星”液滴的大小和数量呈现出显著差异.当流体流动速度提高至0.531 mm·s-1，液滴重力迅速增加，超过毛细管外表面的粘性力和液滴表面张力，导致回润现象消失.图7为不同流速时脱落的液滴，脱落的主液滴体积或直径基本没有变化，见图7(a)—(f).当流动速度提高至0.511 mm·s-1，主液滴的形状呈现不规则状，如图7(g)和图7(h)所示，且直径减小.图7(i)—(l)中主液滴为葫芦状，而后逐渐融合为一颗液滴.图8为主液滴尺寸随流速变化的数据曲线.当流速低于第一临界速度时，主液滴的直径为毛细管外径的5.4倍；当流速略大于第二临界速度时，主液滴的直径为毛细管外径的2.4倍；当流速远大于第二临界速度时，主液滴的直径小于毛细管外径.由于纳米流体在毛细管内的流动状态不同，且环境条件存在差异，因此与倍率1.92相比相差较大.

图7 不同流速时，毛细管末端脱落的主液滴形态和尺寸

图8 主液滴尺寸随流体流动速度的变化曲线

3.3 粒子载荷率对液滴形成和脱落的影响

纳米流体的粒子载荷率不同，其密度、表面张力和粘性均会发生改变，因此液滴形成和脱落会受到影响.根据文献[15]的表面张力系数测试结果，对于纳米铝-乙醇纳米流体，当粒子载荷率小于1.0 %，表面张力呈现不规则变化.图9为不同粒子载荷率时最小颈部直径和滴液高度随时间的变化情况.可以看出，纯乙醇液滴形成时间较纳米流体液滴的形成时间长，当粒子载荷率提高后，液滴形成时间、最小颈部直径和滴液高度均呈现不规则的变化.

3.4 毛细管管径对液滴形成和脱落的影响

纳米铝粒子载荷率为5.0 mg·ml-1、流速为3.93 μm·s-1时，在3种不同管径的毛细管末端的液滴形成过程中最小颈部直径和滴液高度变化情况如图10所示.可以看出，无论哪种管径，液滴形成和脱落过程中，液滴高度均呈线性地增加，而最小颈部液桥直径均呈指数衰减[8-9].随着毛细管管径的增大，最小颈部直径和滴液高度增加，液滴缩颈到主液滴脱落的时间加长，分别为12.9 ms，19.1 ms和28.0 ms.在纳米流体燃料相同的物性参数条件下，毛细管管径的增大，引起纳米流体燃料与毛细管的接触面积增加，从而表面粘性力增加，导致脱落所需的平衡重力增大，因此脱落时间更长，且主液滴直径更大.

图9 不同粒子载荷率时，纳米流体燃料液滴的形成过程

图10 不同管径时，纳米流体燃料液滴的形成过程

4 结束语

纳米铝-乙醇纳米流体燃料在毛细管末端的液滴形成和脱落的典型过程与纯乙醇液体相似，其形成和脱落状态主要受流速的控制.当流速较低时，存在回润现象，流体在毛细管末端呈周期性的滴状；当流速较高时，流体呈射流状；介于两者之间时，为准周期或非周期性的过渡态.在过渡态，圆柱液体呈正对称表面波形式，其最大幅值随时间呈指数增长.纳米颗粒的添加缩短了液滴的形成时间.

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DropletFormationandPinch-offCharacterisiticsofNanofluidFuel

GUO Feng1, HUANG Xuefeng1, LI Shengji2, HE Lanjiao1

(1.SchoolofScience,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.CollegeofMaterialsandEnvironmentalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The droplet formation and pinch-off of nano-aluminum(50 nm)-ethanol nanofluid fuel in capillary were investigated experimentally. The effects of velocity of flow, particle loading rate and capillary tube diameter on the droplet formation and pinch-off were analyzed. Experimental results show that, at low velocity, droplets will wetting the outer surface of capillary. As the velocity of flow increases, the transition of from periodic dripping to jetting through non-periodic can be observed. Compared to the pure ethanol, the formation time of the nanofluid fuel droplets is shorter, and droplet height increases more quickly.

nanofluid; nano-aluminum; droplet formation; droplet pinch-off; liquid fuel

10.13954/j.cnki.hdu.2017.06.015

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(51506041, 51276053)；浙江省自然科学基金资助(LY15E060006)

郭枫(1986-)，男，河南开封人，硕士研究生，能源机械装备及自动化.通信作者：黄雪峰副教授，Email:xuefenghuang@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2017)06-0079-07