35
Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau. Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra. Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, bao gồm các giai đoạn như: Rayleigh, nhiễu loạn sơ cấp, nhiễu loạn thứ cấp và tán nhỏ hạt (phun sương).
Nhằm đưa ra một mô tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohnesorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun còn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã có thể được mô tả bởi số Weber chất lỏng:
Wel =u2Dρl
σ (2.1)
Và số Reynolds:
Re =uDρl
μl (2.2) Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge không thứ nguyên:
Z = √Wel
Re = μl
√σρlD (2.3) Trong đó bao gồm tất cả các tính chất có liên quan của chất lỏng (σ: Sức căng bề mặt, ρl: Khối lượng riêng, μl: Độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D.
Hình 2. 7 là sơ đồ Ohnesorge, ở đó Z là hàm của của Re. Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun. Tuy nhiên, chỉ mô tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là không đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) có thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí.
Hình 2. 7. Cơ chế phá vỡ tia phun [66].
Hình 2. 8 là sơ đồ mô tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thông số hình học vòi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc chất lỏng u.
36
Hình 2. 8. Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun [12]
Nếu vận tốc quá thấp, dòng chảy nhỏ giọt và không hình thành tia phun. Sự gia tăng vận tốc u dẫn đến sự hình thành tia phun liên tục. Giai đoạn này được gọi là phân rã Rayleigh. Sự phân rã này xảy ra do sự gia tăng dao động của khối lượng qua trục đối xứng của tia phun bởi quán tính chất lỏng và sức căng bề mặt. Những giọt chất lỏng bị chèn ép ra khỏi tia phun, và kích thước của chúng lớn hơn đường kính lỗ vòi phun D.
Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động. Thông số có liên quan là số Weber pha khí (Weg).
Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dòng chảy bên trong các lỗ phun là dòng chảy rối. Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sóng của bề mặt tia phun và khuếch đại nhiễu loạn dưới tác dụng của lực khí động do vận tốc tương đối giữa khí và tia phun. Kết quả là đường kính giọt nhỏ hơn đường kính lỗ phun, đường FG (Hình 2. 9).
Hình 2. 9. Sự phân rã của tia phun diesel [66]
Tại giai đoạn xé tơi hạt (phun sương), hình thành tia phun hình nón đỉnh của nón phun nằm bên trong các lỗ phun. Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun. Lõi tia phun còn nguyên vẹn hoặc có mật độ dày đặc bao gồm các hạt có kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun. Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Mô tả lý thuyết của phân rã tia phun ở giai đoạn xé tơi hạt phức tạp hơn các giai đoạn khác, vì quá trình phân rã phụ thuộc nhiều vào điều kiện dòng chảy bên trong các lỗ phun, có tính chất hỗn loạn khó xác định. Việc xác lập các mô hình cũng rất khó khăn, bởi vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc.
37
Hầu hết khối lượng chất lỏng được tập trung gần trục tia phun, trong khi khu vực biên chứa khối lượng chất lỏng ít và hơi nhiên liệu nhiều hơn, xem Hình 2. 10. Giọt có vận tốc cực đại là tại trục tia phun và giảm theo hướng xuyên tâm do sự tương tác với khí vận động. Trong chùm phun dày đặc, xác suất va chạm giọt là rất cao. Những va chạm này dẫn đến sự thay đổi vận tốc và kích thước giọt. Các giọt nhỏ vì thế phân rã thành những giọt nhỏ hơn, nhưng chúng cũng có thể kết hợp để tạo thành giọt lớn hơn, được gọi là giọt liên kết.
Hình 2. 10. Phân bố chùm tia phun áp suất cao nhiều lỗ chất lỏng (màu đen), hơi (màu xám) [67]
Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng
Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận tốc tương đối urel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh. Các lực khí động này gây ra dao động sóng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí/lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ hơn. Những giọt này một lần nữa chịu khí động và tiếp tục phân rã. Sức căng bề mặt có xu hướng bảo toàn giọt chống biến dạng. Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt. Nghiên cứu này được thể hiện qua số Weber của pha khí:
𝑊𝑒𝑔 = 𝑢𝑟𝑒𝑙2 𝑑𝜌𝑔
𝜎 (2.4) Ở đây: d là đường kính giọt trước khi phân rã, σ là sức căng bề mặt chất lỏng, urel là vận tốc tương đối giữa các giọt nhỏ và khí, và ρg là mật độ khí. Số Weber là tỉ lệ của áp lực khíđộng và sức căng bề mặt.
Cấu trúc tia phun
Biểu đồ mô tả một tia phun cao áp hình nón được cho trong Hình 2. 9. Hiện nay, áp lực phun trong động cơ diesel lên đến 200MPa. Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt với vận tốc 500m/s hoặc lớn hơn, tia phun bị phá vỡ theo cơ chế tán xạ hạt. Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun. Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng được gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun.
Từ sơ đồ cấu trúc của tia phun nhiên liệu, có thể đưa ra một số thông số hình học đặc trưng như sau:
38
+ Chiều dài phân rã Lb: Tia nhiên liệu lỏng phun ra không phân rã ngay sau khi ra khỏi lỗ vòi phun, mà trải qua một phần nào đó của chùm tia mới phân rã thành hạt. Chiều dài đó gọi là chiều dài phân rã Lb.
+ Chiều dài chùm tia S: Chiều dài chùm tia được xác định từ khi hạt nhiên liệu ra khỏi miệng vòi phun, bị xé nhỏ và cho đến khi bị hóa sương.
+ Góc nón chùm tia : là góc được xác định bởi góc của 2 đường thẳng có điểm đầu là giao điểm của 2 đường thẳng tại tâm miệng lỗ và có phương tiếp tuyến với biên dạng bên ngoài của tia phun.
Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể được chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak).
Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia phun không phải luôn luôn xảy ra ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun. Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính theo t (Công thức 2.5a).
Chiều dài tia càng lớn, năng lượng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ. Nhìn chung, các tác giả [68] cung cấp cho các quan hệ sau đây:
𝑡 < 𝑡𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘: 𝑆 = 0,39. (2∆𝑝 𝜌𝑙 )0,5. 𝑡 (2.5a) 𝑡 > 𝑡𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘: 𝑆 = 2,95. (∆𝑝 𝜌𝑔) 0,25 . (𝐷. 𝑡)0,5 (2.5b) Ở đó: 𝑡𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘 = 28,65.𝜌𝑙.𝐷 (𝜌𝑔.∆𝑝)0,5 (2.5c)
Trong công thức 2.5, p (Pa) là sự chênh lệch của áp lực phun và áp suất buồng cháy, ρl và ρg là khối lượng riêng các chất lỏng và khí (kg/m3), t là thời gian(s), và D là đường kính lỗ phun (m). Kết quả là: nâng áp suất phun thì chiều dài tia tăng lên, trong khi tăng mật độ khí thì chiều dài tia giảm (m). Tăng đường kính lỗ phun làm tăng quán tính tia phun và chiều dài tia tăng lên. Hơn nữa, phương trình thực nghiệm cũng kể đến tác động của nhiệt độ khí Tg, tia phun ngắn nếu buồng đốt nóng (đơn vị SI):
𝑆 = 3,07. (∆𝑝 𝜌𝑔) 0,25 . (𝑡. 𝐷)0,5. (294 𝑇𝑔) 0,25 (2.6) Góc nón là thông số đặc trưng của tia phun hình nón. Khi phun ổn định (kim phun nâng hết) có mối quan hệ sau [69]:
= 83,5. (𝐿
𝐷)−0,22. (𝐷
𝐷𝑠)0,15. (𝜌𝑔
𝜌𝑙)0,26 (2.7) Trong công thức 2.7, là góc nón phun (độ), Ds là đường kính khoang phun(m), và L là chiều dài của lỗ phun (m). Trong trường hợp tỉ lệ L/D nhỏ cấu trúc bọt xâm thực không vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phun.
39
Với D/Ds lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, làm giảm áp lực tĩnh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực. Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất là tỉ số khối lượng riêng. Khối lượng riêng của khí càng cao thì góc nón càng lớn [66].
𝑡𝑎𝑛 (∅
2) = 4𝜋𝐴 . (𝜌𝑔