燃油品质是决定发动机燃烧效能、污染物水平乃至动力性和经济性的重要因素之一. 纳米粒子具有较大的面容比和小尺寸效应易形成稳定悬浮液，被越来越多地添加至燃油中以提高燃油品质、改善发动机的燃烧与排放性能. 纳米燃油（即纳米粒子与燃油的均匀稳定悬浮液）已被证明具有良好的燃烧排放效果[1-3]. Gumus等[4]在柴油中加入CuO及Al2O3纳米粒子并应用于发动机试验，发现燃油燃烧特性得到改善，发动机燃油消耗率及污染物排放质量浓度显著降低. Basha等[5]将体积分数为0.025%~0.100%的碳纳米管（carbon nanotubes，CNT）粒子添加到生物柴油中并进行发动机试验，发现发动机的平均热效率提高，HC、CO和NOx等常规污染物质量浓度降低，且CNT粒子的体积分数越高，改善效果越明显.
研究发现，纳米粒子的加入可以促进燃烧、降低排放、提高发动机的动力性和经济性，这主要是因为微量的金属单质纳米粒子本身可以作为助燃剂和致爆剂，而金属氧化物纳米粒子可以作为催化剂促进氧化反应，另外，从物理属性方面来说，纳米粒子能显著强化传热传质，有助于燃油液滴蒸发及混合气形成. 王琪等[6]探究纳米Al质量分数及粒径对乙醇基纳米流体燃料液滴着火特性及燃烧过程的影响，发现纳米流体燃料液滴较基液火焰燃烧剧烈，且纳米粒子粒径越小，燃料燃烧越剧烈. Kim等[7]研究CuO纳米粒子对液滴蒸发速率的影响，发现纳米粒子能够提高基液的蒸发速率以及热传导率，并探究初始液滴接触角对蒸发速率的影响. 郭亚丽[8]等采用LBM模拟方法研究固着平面上Al-乙醇纳米燃油液滴蒸发过程，描述Al-乙醇纳米燃油液滴在加热蒸发过程中的形态变化，分析纳米Al粒子在乙醇中的换热和能量输运机理. 以上研究表明，纳米粒子有助于强化液滴蒸发过程，将纳米粒子应用于发动机的燃油喷射，能够显著促进燃油雾化蒸发及可燃混合气形成，从而改善后继燃烧与排放.
1. 材料与方法
1.1. 纳米燃油的配制
柴油是多组分混合物，其蒸发特性受各组分的馏程（沸点）影响较大，为便于研究，选用与柴油分子结构较为接近的纯物质正十四烷（C14）作为基液燃油，其在常温常压下的沸点为220 °C. 将20 、50 nm 2种粒径规格的CNT（北京德科岛金）添加至基液燃油C14中，配制质量浓度ρCNT分别为50、100、150 mg/L的纳米燃油，分别标识为CNT50、CNT100、CNT150，并冠以粒子粒径20 、50 nm以示区分，例如
表 1 纳米粒子的主要参数
Tab.1
| 类别 | dCNT/nm | w/% | ρ/（g·cm−3） | S/（m2·g−1） |
| CNT20 | 10~30 | >98 | 1.81 | >200 |
| CNT50 | 30~60 | >98 | 1.82 | >110 |
1.2. 纳米燃油黏度特性
图 1
2. 纳米燃油蒸发特性
采用JC2000C1型接触角测量仪（上海中晨）在水平加热平板上进行纳米燃油液滴蒸发可视化试验，如图2（a）所示，液滴蒸发可视化装置主要包括高速摄像机（美国Phantom）、铝制加热底板（表面粗糙度Ra=1.6 μm）、微量进样器和高度调节机构等. 平板由内部温控电阻丝加热，表面温度采用嵌入在平板内部的热电偶测量，表面温度设置为（180±1）°C，热流密度约为1 080 W/m2. 采用50 μL微量进样器进行滴定，高速摄像机拍摄液滴从落至平板到蒸发结束这一段时间内的图像. 经热电偶测量显示，液滴滴落到平板至液滴蒸发结束过程中，平板温度几乎保持不变. 在采集影像过程中，高速摄像机同时拍摄液滴和微量进样器针管，将针管直径作为参考，通过图像处理软件分析计算得到液滴在不同时刻下的实际接触直径d和液滴质量m等主要参数. 部分润湿状态下固着液滴蒸发示意图如图3所示. 其中，h、R、θ分别为球缺高度、球形液滴半径、接触角，各参数之间的关系如下[15]：
图 2
图 2 液滴蒸发可视化装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of droplet evaporation visualization device
图 3
图 3 部分润湿状态下固着液滴蒸发示意图
Fig.3 Schematic diagram of sessile droplet evaporation under partial wetting condition
将式（2）代入式（1），可得
液滴质量公式为
不同燃油液滴在初始时刻的主要尺寸参数不完全相同，在较小的范围内波动，为便于液滴蒸发过程的描述与比较，引入无量纲参数[14]：
式中：d*、m*分别为某一时刻液滴无量纲接触直径与无量纲质量；di、mi分别为初始时刻的液滴接触直径与质量.
2.1. 有效蒸发时间
图 4
图 5
图 5 质量浓度为50 mg/L，粒子粒径为20 nm的纳米燃油蒸发图像
Fig.5 Images of evaporation for nano-fuel with mass concentration of 50 mg/L and particle size of 20 nm
如表2所示为基液燃油及纳米燃油有效蒸发时间. 可知，基液燃油C14液滴有效蒸发时间为5.7 s，而纳米粒子的加入减小了有效蒸发时间. 以纳米粒子粒径同为20 nm的纳米燃油为例，当纳米粒子质量浓度分别为50、100、150 mg/L时，相较于基液燃油C14，液滴蒸发时间分别缩短了21.05%、33.33%、45.61%；以纳米粒子质量浓度同为50 mg/L的纳米燃油为例，当纳米粒子粒径分别为20、50 nm时，相较于基液燃油C14，液滴蒸发时间分别缩短了21.05%、17.54%. 综上所述，基液中含有的纳米粒子可使液滴内部热量传递在更短时间内完成，减小有效蒸发时间. 这与纳米流体应用于强化换热的研究结果相吻合[16-18]，主要机制为纳米粒子的比热容较小，更有利于热量传递，纳米燃油导热系数较大，此外，纳米粒子在基液中剧烈的布朗运动加快了流体间的传热与传质. 由表2可知，粒子浓度越大或粒径越小，减小液滴有效蒸发时间的效应就越明显.
表 2 燃油液滴有效蒸发时间
Tab.2
| ρCNT/（mg·L−1） | te | |
| CNT20 | CNT50 | |
| 0 | 5.7 | 5.7 |
| 50 | 4.5 | 4.7 |
| 100 | 3.8 | 4.0 |
| 150 | 3.1 | 3.7 |
2.2. 无量纲接触直径
部分润湿状态下固着水平平板液滴蒸发，有4个典型阶段，即铺展阶段、定接触线阶段、定接触角和混合蒸发阶段[19]. 如图6所示为CNT纳米燃油液滴无量纲接触直径随时间t的变化特性，如图7所示为粒径为20 nm的不同质量浓度的CNT纳米燃油液滴接触角随时间的变化特性，可见其符合部分润湿情况下固着水平平板单组分液滴蒸发的一般过程[20]. 由图6可知，与基液燃油相比，纳米粒子的加入明显增加了定接触线蒸发阶段的持续时间. 基液燃油C14的定接触线蒸发阶段持续到约1.6 s，约占整个蒸发时间的22.81%；而纳米粒子粒径为20 nm，质量浓度为 150 mg/L的CNT纳米燃油的定接触线蒸发阶段持续到约2.3 s，约占整个蒸发时间的64.52%. 在定接触线蒸发阶段，蒸发主要发生在液滴“液-固-气”三相线处，因此为了补充三相线处的液体，中心区域的液体会不断向边缘处流动[21]. 对于纳米燃油来说，在定接触线蒸发阶段，内部液体向边缘处流动的同时也将CNT纳米粒子输送到“液-固-气”三相线处，纳米粒子在液滴边缘处不断堆积，从而阻滞接触线的收缩，这一现象称为“自销钉”效应，该现象使得纳米燃油在定接触线蒸发阶段的持续时间延长[22]. 由图6可知，液滴的定接触线蒸发阶段持续时间随CNT纳米粒子粒径减小或质量浓度增加而增大，在整个蒸发过程中所占比例也随之增大.
如图7所示为CNT20燃油液滴蒸发中的接触角瞬变过程. 由图可见液滴初始形态的接触角差异较小，在定接触线蒸发阶段中，接触角不断减小. 在定接触线蒸发阶段结束后，液滴尺寸较小且蒸发速率较快，有不明显的定接触角蒸发，并很快过渡到混合蒸发阶段，这2个阶段被称为定接触角与混合蒸发阶段. 在混合蒸发阶段，无量纲接触直径的降低速率可以在一定程度上反映此刻液滴蒸发速率的大小. 由图6可知，随着CNT纳米粒子粒径减小或质量浓度增加，无量纲接触直径降低，液滴蒸发速率逐渐增大. 纳米粒子的加入增大了纳米燃油的热传导率且纳米粒子粒径的减小或粒子质量浓度的增加加剧了固体粒子之间及粒子与液体分子之间的热交换频率，从而加快了液滴的蒸发速率，因此，如图6所示，无量纲接触直径的下降速率不断增大.
图 7
图 7 纳米燃油液滴蒸发过程中的接触角
Fig.7 Transient contact angle of nano-fuel droplets during evaporation
图 6
图 6 粒径为20 nm的不同质量浓度及质量浓度为150 mg/L的不同粒径的CNT纳米燃油液滴无量纲接触直径和时间的关系
Fig.6 Relationship between normalized contact diameter and time for droplets of nano-fuel of different mass concentrations with particle size of 20 nm and of different nanoparticle size with mass fraction of 150 mg/L
2.3. 无量纲质量及其变化率
液滴的质量也是表征其蒸发过程的重要直观物理量. 如图8所示为不同质量浓度的CNT纳米燃油液滴蒸发过程中无量纲质量及其质量变化率dm*/dt随时间的变化曲线. 如图9所示为150 mg/L质量浓度下不同粒径CNT纳米燃油液滴蒸发过程中无量纲质量及其变化率随时间的变化曲线. 由图8、9可知，在定接触线蒸发阶段，CNT纳米燃油的无量纲质量变化率相比于基液燃油有所降低，且随着CNT粒径减小或纳米粒子质量浓度增大而逐渐降低. 这主要是由于燃油中的纳米粒子显著增强了液滴内的导热系数，在“固-液-气”三相线处蓄积的用于界面蒸发的热量部分被传向液滴内部低温区域，延缓了液滴靠近平板的液气界面蒸发. 此外，也有学者认为，定接触线蒸发主要发生在液滴边缘处，在液滴内部会形成由中心向边缘的内流动，以补偿蒸发掉的燃油，纳米粒子的加入增加了基液燃油动力黏度，阻碍了液滴内部由中心向边缘的流动，减缓了液滴蒸发速率[8].
图 8
图 8 粒径为20 nm的不同质量浓度的CNT纳米燃油液滴无量纲质量与无量纲质量变化率随时间的变化
Fig.8 Plots of normalized mass and its rate versus time for droplets of CNT nano-fuel of various mass fractions with particle size of 20 nm
图 9
图 9 质量浓度为150 mg/L的不同粒径的CNT纳米燃油无量纲质量与无量纲质量变化率随时间的变化
Fig.9 Plots of normalized mass and its rate versus time for droplets of CNT nano-fuel of various particle sizes with mass fraction of 150 mg/L
当液滴高度下降、液滴与平板的接触表面积减小时，液滴开始向内收缩，液滴蒸发进入定接触角与混合蒸发阶段. 此时液滴内部温度梯度较小，热对流作用较弱，热传导成为主要换热方式，液体吸收到的热量几乎全部转化为自身相变焓. 相比于基液燃油，此时纳米燃油液滴吸收了更多的热量，且之前的蒸发使纳米粒子质量浓度增加，导热率进一步增强，因而纳米燃油液滴在后2个蒸发阶段蒸发速率明显加大. 另外，很多学者探究固着水平平板液滴蒸发时间随接触直径的变化，结果表明，当液滴的接触直径增大时，液滴蒸发的速率也随之增加[23-24]，基液燃油在定接触线蒸发阶段的持续时间较短，液滴接触线收缩时刻提前，导致接触直径减小，从而导致蒸发速率下降，这也是基液燃油在后2个蒸发阶段的蒸发速率较低的原因之一. 由此可见，纳米燃油液滴在定接触线蒸发阶段的持续蓄热是整个蒸发时间缩短的重要原因.
3. 结 论
（1）在正十四烷燃油中加入CNT后，增加了基液的黏度，降低了燃油液滴整体有效蒸发时间，且随着纳米粒子粒径减小或质量浓度增加，蒸发时间缩短效应越明显.
（2）CNT纳米燃油液滴蒸发过程符合部分润湿状态下单组分液滴蒸发的一般规律. 纳米粒子在液滴边缘处的沉积阻滞了接触线向内收缩，延长了液滴在定接触线阶段蒸发的持续时间，该现象随燃油中纳米粒子质量浓度增大而更显著.
（3）在液滴蒸发定接触线阶段，纳米燃油液滴边缘处的热量能被快速地传递到内部低温区域，不利于靠近平板的液气界面蒸发，纳米燃油液滴蒸发速率低于基液燃油液滴蒸发速率；在定接触角与混合蒸发阶段，由于纳米燃油定接触线阶段延长而吸收了更多的热量，且蒸发使液滴内纳米粒子质量浓度增加，导热率增强，纳米燃油液滴在后2个阶段蒸发速率明显加大.
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