Требуется дать объяснение полученным отличиям распространения нагретых и холодных струй, а также отличиям в характеристиках струй изооктана и этанола. Причиной этих отличий является различие в физических свойствах веществ – плотности, вязкости, коэффициента диффузии и их изменения при повышении температуры, а также изменение концентрации насыщенных паров веществ, определяющих движущую силу процесса испарения. Предполагается наличие трёх возможных механизмов влияния подогрева струй этанола и изооктана на их распространение:
· изменение скорости выхода жидкости из сопла инжектора, связанное с изменением коэффициента скорости в сопле;
· различие в распределении капель по размерам и их дроблении на выходе из сопла;
· изменение характера испарения капель в потоке.
|
| Рисунок 28 Зависимость коэффициентов истечения из отверстия в тонкой стенке от числа Рейнольдса [55] |
Изменение скорости выхода жидкости из сопла инжектора, связанное с изменением коэффициента скорости. Истечение изооктана и этанола в нашем случае происходит из насадка цилиндрической формы с соотношением длины насадка к диаметру 2,039. Истечение топлива из сопла инжектора в бензиновых двигателях можно считать истечением с частичным отрывом потока от стенок, что показано в работах [14-15]. Отрыв потока означает, что напор в насадке превышает предельный, и вакуум отсутствует, то есть насадок работает как отверстие в тонкой стенке. Поэтому для оценки значений коэффициентов истечения можно использовать график Альтшуля, представленный на Рисунок 28.
При прохождении через сопло значения чисел Рейнольдса для этанола и изооктана различались, поскольку эти жидкости имеют различную вязкость, а, следовательно, различались и коэффициенты скорости φ. Значения реальной скорости на выходе из сопла можно определить из соотношения (
):
| ( )
|
где 
- плотность жидкой фазы; 
- разница между давлением в топливной системе и в канале для впрыска; 
- коэффициент скорости.
Повышение температуры изооктана и этанола ведёт к снижению их кинематической вязкости и возрастанию примерно в два раза чисел Рейнольдса на выходе из сопла инжектора. Однако числа Рейнольдса для обоих веществ во всех режимах эксперимента находились в диапазоне 2·104–105, что соответствует значению коэффициента скорости 0,94–0,98. Коэффициенты скорости как для изооктана, так и для этанола практически не меняются с увеличением температуры веществ. Для изооктана коэффициент скорости увеличивается с 0,96 до 0,98, для этанола – с 0,94 до 0,97.
Дальнобойность с уменьшением динамической вязкости должна несколько расти. На самом деле она падает. Таким образом, уменьшение дальнобойности струи определяется другими причинами. Можно заключить, что изменение коэффициента скорости, связанное с изменением температуры, оказывает некоторое влияние на изменение характера распространения струй, однако оно не очень значительно.
Размер капель и их дробление на выходе из сопла. Одним из главных факторов, влияющих на распространение струи жидкости, является размер составляющих ее капель. Известно, что капли малого диаметра более подвержены воздействию флуктуаций скорости, быстрее приобретают скорость сносящего потока и быстрее тормозятся в неподвижной среде. Размер капель, в свою очередь, зависит от коэффициента поверхностного натяжения, который меняется с температурой. Дробление капель струи на выходе из сопла инжектора оценивалось по числам Вебера. Число Вебера представляет собой отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения и вычислялось по следующему соотношению (6):
| (6) |
Соотношение 
в данном выражении представляет собой константу Срезневского.
|
| (7) |
где 
– коэффициент бародиффузии, 
– давление насыщенных паров при данной температуре, 
– плотность топлива.
Интегрируя уравнение (6) можно получить время испарения капли 
от начального диаметра до текущего:
| (8) |
где 
– начальный диаметр капли; 
– текущий диаметр капли.
В работе [] Б. И. Срезневским экспериментально был получен закон, устанавливающий, что время испарения капли прямо пропорционально квадрату её начального диаметра.
Коэффициенты концентрационной диффузии 
для этанола и изооктана существенно различаются и при нормальных условиях (
равны 1,02·10-5 м2/с и 0,47·10-5 м2/с соответственно. При температурах, установленных в эксперименте, коэффициент концентрационной диффузии был найден по соотношению:
| (9) |
где – коэффициент концентрационной диффузии при нормальных условиях, 
и 
– температура и давление при нормальных условиях, 
, 
– температура и давление, при которых необходимо найти коэффициент концентрационной диффузии 
.
Было рассчитано время полного испарения капель для трёх характерных диаметров капель, наблюдаемых в камере сгорания двигателя – максимального 50·10-6 м, минимального 5·10-6 м и среднего 25·10-6 м (Таблица 4).
Таблица 4 – Оценка времени испарения капель изооктана и этанола
| Вещество | Температура, ° C | Время полного испарения капель, с·10-3 | ||
| диаметром 5·10-6 м | диаметром 25·10-6 м | диаметром 50·10-6 м | ||
| Изооктан | 0.151 | 3.772 | 15.091 | |
| 0.047 | 1.183 | 4.733 | ||
| 0.008 | 0.206 | 0.825 | ||
| Этанол | 0.066 | 1.657 | 6.626 | |
| 0.017 | 0.415 | 1.660 | ||
| 0.0045 | 0.113 | 0.453 | ||
| 4.4·10-6 | 0.000109 | 0.000436 |
Из таблицы видно, что капли этанола испаряются значительно быстрее капель изооктана, причём данный эффект усиливается с возрастанием температуры. За время впрыска струи, которое составляет 3,3·10-3 с, при всех температурах капли этанола успевают испариться полностью, за исключением капель большого диаметра при температуре 25°С. Это подтверждается большей областью, занятой паром в струе этанола, обнаруженной в экспериментах. По-видимому, именно этот эффект является причиной уменьшения дальнобойности струй с ростом температуры и более сильного отклонения струй этанола сносящим потоком воздуха по сравнению со струями изооктана, что было показано выше.
Оценка неопределённостей результатов эксперимента [ТЗ33]
Выводы по главе III
Глава IV. Численное моделирование распространения жидких струй углеводородов в программной среде OpenFOAM [ТЗ34]