CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun
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. Cĩ 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 mơ tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohnesorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun cịn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã cĩ thể được mơ tả bởi số Weber chất lỏng:
Và số Reynolds: Wel = Re = u2Dρ l σ uDρ l μl (2.1) (2.2) Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge khơng thứ nguyên:
Z= √W elRe = μl
√σρlD (2.3)
Trong đĩ bao gồm tất cả các tính chất cĩ 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 đĩ 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 mơ tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là khơng đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) cĩ 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 mơ tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thơng số hình học vịi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc chất lỏng u.
Hình 2. 8. Sơ đồ mơ tả cơ chế phá vỡ tia phun [12]
Nếu vận tốc quá thấp, dịng chảy nhỏ giọt và khơng 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 vịi phun D.
Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động. Thơng số cĩ liên quan là số Weber pha khí (Weg).
Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dịng chảy bên trong các lỗ phun là dịng chảy rối. Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sĩng 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 nĩn đỉnh của nĩn phun nằm bên trong các lỗ phun. Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun. Lõi tia phun cịn nguyên vẹn hoặc cĩ mật độ dày đặc bao gồm các hạt cĩ kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun. Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Mơ 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 dịng chảy bên trong các lỗ phun, cĩ tính chất hỗn loạn khĩ xác định. Việc xác lập các mơ hình cũng rất khĩ khăn, bởi vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc.
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 cĩ 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 cĩ 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 sĩng 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 cĩ xu hướng bảo tồn 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:
��� = � (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 mơ tả một tia phun cao áp hình nĩn 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 nĩn 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, cĩ thể đưa ra một số thơng số hình học đặc trưng như sau:
+ Chiều dài phân rã Lb: Tia nhiên liệu lỏng phun ra khơng phân rã ngay sau khi ra
khỏi lỗ vịi phun, mà trải qua một phần nào đĩ của chùm tia mới phân rã thành hạt. Chiều dài đĩ 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 vịi phun, bị xé nhỏ và cho đến khi bị hĩa sương.
+ Gĩc nĩn chùm tia: là gĩc được xác định bởi gĩc của 2 đường thẳng cĩ điểm
đầu là giao điểm của 2 đường thẳng tại tâm miệng lỗ và cĩ phương tiếp tuyến với biên dạng bên ngồi của tia phun.
Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun cĩ 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 vịi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak).
Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dịng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia phun khơng phải luơn luơn xảy ra ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun. Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính theo t (Cơng 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:
� < ������ : � = 0,39. ( 2∆� 0,5) �� . � (2.5a) Ở đĩ: ∆ � �� 0,25 . (�. �)0,5 (2.5b) ������ = 28,65. � . �0,5 (�.∆�) (2.5c)
Trong cơng 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 nĩng (đơn vị SI):
∆ � � 0,25 294 �� 0,25 (2.6) Gĩc nĩn là thơng số đặc trưng của tia phun hình nĩn. Khi phun ổn định (kim phun nâng hết) cĩ mối quan hệ sau [69]:
� −0,22 � 0,15 .( ) �� � 0,26 .( ) � (2.7)
Trong cơng thức 2.7, là gĩc nĩn 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 khơng vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngồi vịi phun và tăng gĩc nĩn phun.
� > ������ : � = 2,95. ( )
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. Thơng số ảnh hưởng quan trọng nhất là tỉ số khối lượng riêng. Khối lượng riêng của khí càng cao thì gĩc nĩn càng lớn [66].
∅ 2 4 � � � � 0,5 .( ) �� . �(�) (2.8)
Với A là một hằng số tùy thuộc vào kết cấu vịi phun và cĩ thể được rút ra từ thực nghiệm hoặc cơng thức gần đúng A = 3,0 + 0,28 (L/D). Đại lượng cuối cùng ở vế phải của cơng thức 2.8 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc phun [66]:
�(�) = √36 (1 − exp(−10�)), = (
��� �� ) . (2.9)
Đối với các tia phun áp lực cao và do đĩ làm tăng giá trị của γ, f(γ) tiệm cận bằng
√3/6 [66]. Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp lực cao các dự đốn gĩc nĩn phun
nằm dưới so với kết quả thử nghiệm [66]. Một đại lượng đặc trưng cho kích thước giọt phun, và do đĩ quyết định sự phân rã tia phun, là đường kính Sauter (SMD). SMD là đường kính của một giọt mơ hình (đơn vị: m) cĩ tỉ lệ khối lượng trên diện tích bề mặt bằng với tỉ lệ của tổng của tất cả các khối lượng giọt (V) trong tia phun trên tổng của tất cả các diện tích bề mặt giọt (A):
� � � �/6.���3 �.���2 = ���6 (2.10a) � � ����� Từ (2.10a) và (2.10b) rút ra: = (∑��=1 ��3)/(6 ∑��=1 ��2) (2.10b) ∑� � 2 (2.11)
Với các SMD nhỏ, sự hình thành hỗn hợp và bay hơi hiệu quả hơn. Mặc dù SMD là một đại lượng đặc trưng cho quá trình phun, nhưng lưu ý là nĩ khơng cung cấp thơng tin về phân bố kích thước giọt của các tia phun. Nĩi cách khác, hai loại tia phun với SMD như nhau cĩ thể cĩ phân bố kích thước giọt khác nhau đáng kể. Ngồi ra, cịn mối quan hệ khác của SMD [66]:
��� � � �� 0,37 � �� −0,47 (2.12) Trong cơng thức 2.12, SMD (m), và µ là độ nhớt động (N.s/m2). Các đơn vị của đại lượng khác đã được đưa ra trong các phương trình trên. Tăng áp lực phun sự tán nhỏ hạt được cải thiện và như vậy, SMD giảm.
Tuy nhiên, việc đo kích thước giọt chỉ cĩ thể thực hiện trong khu vực lỗng ở biên của tia phun hoặc tại vị trí xa miệng các lỗ phun. SMD chỉ nên sử dụng để ước lượng chất lượng phun.
Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc bên trong của tia phun cao áp hình nĩn động cơ diesel là rất khĩ cho dù lõi tia phun tại miệng lỗ phun được coi là một lõi lỏng cịn nguyên vẹn. Ý tưởng này dựa trên các phép đo tính dẫn điện đã được thực hiện để rút ra kết luận về cấu trúc bên trong của các tia phun.
��� ( ) = ��� 2 �� ( ) = ( ) ��3 ��� = ∑�=1 �=1 �� = 0,38�� 0,25���−0,32 ( � ) ( � )
Một số nghiên cứu đã đo điện trở giữa các miệng lỗ phun và dây dẫn của một máy dị tinh nằm trong tia phun. Tuy nhiên, thực tế cho thấy kỹ thuật đo lường là khơng thích hợp để chứng minh thực trạng của một lõi lỏng nguyên vẹn. Chiều dài lõi [66]:
�� = �. �. √ � � (2.13) Phương trình trên thể hiện một thực tế là chiều dài lõi phụ thuộc vào tỉ lệ của khối lượng riêng của chất lỏng/khí và tỉ lệ thuận với đường kính lỗ phun D. Hằng số thực nghiệm C thể hiện sự ảnh hưởng của các điều kiện phun và các hiệu ứng khác khơng được mơ tả chi tiết; C = 3,3σ -11.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lõi khơng thể là chất lỏng thuần nhất, khu vực này bao gồm một vùng rất dày đặc của các liên kết và các giọt gọi là miền phân rã.
Nghiên cứu của cấu trúc bên trong của tia phun áp lực cao bằng laser quang học kết hợp với phun trong ống nghiệm chứng minh một thực tế là cĩ sự nhiễu loạn và xâm thực bên trong các lỗ vịi phun. Chiều dài miền phân rã [66]:
� � �� �.�2 0,05 � 0,13 .( ) � � � 0,5 (2.14) Tĩm lại, diễn biến đặc trưng của tia phun hình nĩn trong động cơ diesel được chia thành ba giai đoạn.
Giai đoạn đầu tiên: tính từ khi kim phun bắt đầu mở. Trong giai đoạn này, tại mặt
tựa và cơn kim phun tiết diện ngang dịng chảy nhỏ làm giảm lưu lượng phun, đồng thời do tiết lưu, bọt xâm thực xuất hiện tạo ra dịng chảy rối ở lỗ phun. Vì vận tốc dọc trục thấp, vận tốc rối hướng tâm gia tăng mạnh nên gĩc nĩn phun ban đầu gần miệng phun thường lớn (Hình 2. 15). Ngay sau khi tăng vận tốc dọc trục, gĩc nĩn phun sẽ nhỏ đi. Do đĩ, cấu trúc tia phun ban đầu phụ thuộc vào tốc độ nâng kim: nếu mở chậm thì gĩc nĩn lớn và ngược lại.
Giai đoạn hai: diễn ra khi kim phun mở hồn tồn. Lúc này diện tích mặt cắt ngang
dịng chảy tại mặt tựa và cơn kim phun lớn hơn tổng diện tích lỗ vịi phun. Mức độ xâm thực bây giờ phụ thuộc vào hình dạng lỗ. Nếu xâm thực mạnh thì gĩc nĩn phun lớn, chiều dài tia phun nhỏ và ngược lại. Sự xâm nhập của tia phun tăng theo thời gian do hiệu ứng của những giọt mới với động năng cao liên tục thay thế những giọt bay chậm ở đầu tia phun.
Vào cuối quá trình phun: kim phun đĩng dần và vận tốc phun giảm về khơng, dẫn
đến nhiễu loạn tia phun theo chiều dọc trục. Do tốc độ phun giảm, lực liên kết làm tăng kích thước giọt chất lỏng và sự tạo sương khơng xảy ra.