柴油/n-丁醇二元燃料液滴撞击受热基板的最大铺展因子经验预测

《Experimental Thermal and Fluid Science》：Empirical prediction of maximum spreading factor of diesel/n-butanol droplets impacting heated substrates

　　

本研究通过实验方法探究了柴油/n-丁醇二元燃料液滴撞击受热基板时的最大铺展行为。研究人员采用高速成像技术，系统分析了n-丁醇体积分数、韦伯数（Webeber number, We=13–66）及基板温度（Tw=25–350 ℃）对液滴铺展行为的影响。结果表明，最大铺展因子（maximum spreading factor, βmax）随韦伯数的增大而增大，表明撞击惯性在铺展过程中起主导作用。n-丁醇的添加通过降低表面张力增强了早期铺展趋势，而燃料挥发性和热物理性质的变化可能在高温条件下影响铺展行为。据此，研究人员进一步结合撞击惯性与基板温度的协同影响来表征铺展行为，提出了一个包含无量纲温度T*和韦伯数的温度依赖性经验关联式用以预测βmax。该关联式基于D80B20液滴在实验条件（We=13–66，T*=0–1.17）下建立，预测值与实验值的最大偏差为5.28%。与所选文献数据的对比显示，相对误差在8.7%以内，表明该关联式与文献报道的实验结果具有良好的一致性。这些发现为在相似受热壁面条件下预测柴油/n-丁醇（特别是D80B20）液滴的βmax提供了参考依据。

**论文解读：柴油/n-丁醇二元燃料液滴撞击受热基板的铺展动力学与最大铺展因子经验预测**

**一、研究背景与科学问题**

液滴与受热固体表面的相互作用是喷雾冷却、内燃机、喷墨打印及防冰系统等热工应用中的基础物理过程。在船用柴油机中，高压喷射产生的燃料液滴可能撞击炽热金属壁面，引发壁面液膜形成、局部蒸发和二次破碎等现象，进而影响油气混合、热负荷及污染物生成。液滴撞击受热壁面时的铺展、回缩、沉积、回弹或破碎行为，取决于撞击惯性、黏性耗散、毛细回缩与基板加热之间的复杂平衡。以往研究系统揭示了单组分液滴撞击动力学的基本框架，包括铺展、沉积、回缩、飞溅、射流和回弹等典型形态，以及动态接触角、基板温度和表面粗糙度等因素的影响规律。然而，相比于单组分液滴，多组分燃料液滴因组分间挥发性差异、表面张力与黏度的成分依赖性以及铺展-蒸发过程中的组分再分布，其撞击动力学更为复杂。目前，针对柴油/n-丁醇二元燃料液滴在受热基板上的铺展行为，燃料组分、撞击惯性与基板温度三者间的耦合效应尚未得到充分表征，现有最大铺展关联式对此类燃料的适用性也缺乏系统评估。因此，开展本研究具有明确的工程背景与学术必要性。

**二、研究内容与结论概述**

基于上述问题，研究人员搭建了包含液滴生成单元、基板加热模块和高速可视化系统（Phantom V2012高速相机，4000 fps）的实验平台，系统研究了柴油/n-丁醇二元燃料液滴撞击受热铝基板（1060铝合金，20×20×2 mm）的动态行为。实验涵盖五种燃料（D100、D90B10、D80B20、D70B30和B100，分别表示柴油中n-丁醇体积占比为0%、10%、20%、30%和100%），撞击速度U0控制在0.44–0.99 m/s（对应We=13–66），基板温度Tw在25 ℃至350 ℃之间变化。通过高速成像和图像处理技术，研究人员定量提取了瞬时铺展直径D(t)与铺展因子β=D/D0，系统分析了n-丁醇掺混比、韦伯数和基板温度对液滴铺展特性的影响规律。实验发现，βmax随We增大而增大，表明撞击惯性在铺展过程中起主导作用；添加n-丁醇通过降低表面张力促进早期铺展；βmax随无量纲温度T*的升高呈现先增后减的非单调变化趋势。基于D80B20液滴的实验数据，研究人员提出了耦合We和T*的温度依赖性经验关联式，独立验证数据集的均方根误差（RMSE）为0.0838，最大相对误差为5.79%（拟合数据集最大误差为5.28%），并与文献数据对比显示相对误差在8.7%以内，验证了该关联式的预测能力。该研究首次系统表征了柴油/n-丁醇液滴的组分-惯性-温度耦合行为，为D80B20喷雾-壁面相互作用提供了基准数据集，也为柴油基多组分燃料液滴在受热壁面条件下βmax的估算提供了参考。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）高速成像系统，使用Phantom V2012相机配备Nikon 105 mm镜头，以4000 fps帧率记录液滴撞击和铺展过程；（2）微量注射泵-注射器液滴生成单元，产生标称直径2.1±0.02 mm的液滴；（3）温度可控加热台与铝基板（1060铝合金），配备双热电偶监测温度均匀性（温差≤0.1 ℃）；（4）基于Aspen Plus V14的热物性计算，采用石油馏分表征方法生成柴油伪组分，NRTL活度系数模型结合UNIFAC基团贡献法估算缺失的二元交互参数，计算混合燃料的密度、黏度、表面张力及泡点温度；（5）图像分割与不确定度分析框架，针对高温碎片化条件单独评估分割不确定度，系统量化了图像分割、实验可重复性、温度测量和热物性估计四类不确定度来源对βmax的影响。燃料样本来源方面，0#柴油购自中国石油天然气集团公司（CNPC），n-丁醇购自西陇科学股份有限公司（纯度≥99%）。

**四、研究结果**

**4.1 柴油/n-丁醇液滴撞击受热基板的形态特征**

研究人员以D80B20为参考组分，在We=40条件下观察了不同基板温度（25、90、120、170、240、350 ℃）下的液滴形态演化。25 ℃和90 ℃时，液滴铺展后形成稳定液膜并附着于基板；120 ℃和170 ℃时，液膜变薄且回缩阶段边缘不规则度增加；240 ℃时出现明显表面扰动和局部碎片化；350 ℃时液滴经历剧烈变形、垂直射流和部分回弹行为。这表明基板温度显著改变了液滴撞击动力学，热效应随壁温升高不断增强。

**4.2 不同掺混比下液滴动力学的温度依赖性**

在相同撞击速度（U0=0.77 m/s）下，研究人员对比了不同掺混比燃料在各温度下的β-τ演化曲线。25 ℃时，柴油含量高的燃料后期铺展因子接近（β≈2.6–2.8），而B100铺展更大（β≈3.15），归因于其更低的表面张力。90 ℃时，βmax较25 ℃普遍增大，且B100达到最大值（约3.6–3.7），但所有组分均出现明显的铺展后回缩。120 ℃和170 ℃时，组分依赖的差异在铺展后期加剧，βmax排序随温度变化呈非单调特征，n-丁醇含量较高的燃料初始铺展较大，但后期回缩也更快。240 ℃时，柴油类燃料间βmax差异缩小（βmax≈2.8–3.0），而B100的后期横向收缩显著加剧。350 ℃时，βmax范围收窄至约2.6–2.9，组分差异主要体现在后期演化阶段：含n-丁醇组分横向收缩更快，B100在大τ时β降至约0.5。这表明随着温度升高，挥发性和热物性差异对后期行为的影响逐渐超过对βmax的影响。

**4.3 不同韦伯数下基板温度对D80B20液滴动力学行为的影响**

研究人员在六个温度水平（25–350 ℃）下考察了We=13–66范围内D80B20液滴的铺展特性。各温度下，βmax均随We增大而增大：25 ℃时βmax从2.56增至3.12，350 ℃时从约1.9增至3.05。高温条件下，β回缩幅度显著增强，但高We液滴在铺展后期维持较大横向尺寸的能力更强。在350 ℃，所有We下β在最大铺展后急剧下降，伴随碎片化、射流和部分脱离，部分状态下后期β<1，表明大量液相通过垂直方向再分配。

**4.4 最大铺展因子的经验关联式**

研究人员建立了βmax与多个无量纲参数的经验关系。25 ℃时，βmax随We遵循幂律关系βmax=Ci·We^k（k≈0.12，R2>0.92），随Re遵循βmax=a·Re^b（a=0.85，b=0.20，R2>0.93），随We/Oh遵循βmax=1.45(We/Oh)^0.085（R2>0.94）。由于βmax随T*的变化呈非单调趋势，研究人员引入无量纲温度T*=(Tw?T0)/(Tbub?T0)，采用二次函数βmax=m(T*)2+nT*+c拟合不同We下的温度响应，并进一步建立拟合系数m、n、c随We的线性回归关系（R2>0.97），最终得到包含We和T*的经验关联式。D80B20数据集按We划分训练集（We=13、27、53、66，含72次测量）和独立验证集（We=40，含18次测量），验证集RMSE为0.0838、MAE为0.0652、最大相对误差5.79%。与文献中柴油、乙醇和HFE-7100液滴在受热壁面的βmax数据对比，预测值相对误差均在8.7%以内。

**五、讨论与结论总结**

实验结果表明，n-丁醇添加通过降低表面张力和黏度增强液滴的早期铺展趋势，但随基板温度升高，燃料挥发性和热物性的变化对铺展行为的调控作用逐渐增强，导致βmax随T*呈现非单调变化，且组分排序发生改变。由于βmax随壁温变化无法用绝对温度单一描述，无量纲温度参数T*的引入有效归一化了不同燃料泡点差异带来的热效应，结合Weber数实现了对惯性-热耦合作用的定量表征。所建立的关联式在D80B20液滴的实验范围内（We=13–66，T*=0–1.17）与实验值最大偏差为5.28%，并通过独立验证数据和文献数据验证了其泛化能力。需要指出的是，该关联式对非D80B20组分及其他燃料的适用性应谨慎对待，其应用需结合具体燃料的物性参数与工况范围进行评估。本研究为理解和预测柴油/n-丁醇二元燃料液滴在受热壁面上的最大铺展行为提供了系统的实验数据和经验模型，对船用柴油机喷雾撞壁过程的研究具有参考价值。