Cavitation Behavior of Water–Ethanol Blends in Representative Injector Geometry: Experimental and Numerical Investigation
本研究通过将多组分 Euler–Euler 空化模型与喷注器几何结构中水–乙醇混合物的实验数据进行对比验证，表明虽然单组分与多组分方法在质量流量预测方面表现相似，但后者对于准确捕捉以乙醇为主的蒸气组成以及流场内特定的水/乙醇富集模式至关重要。
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在现代汽车发动机的心脏内部，燃料不仅仅是被燃烧，更是被极其精确地雾化。为了将液体燃料转化为可以高效点燃的细微薄雾，工程师们将燃料强行压入喷嘴中微小的孔径，其压力之大足以压碎人类的手掌。当燃料冲过这些微小的通道时，压力骤降，导致液体在温度依然凉爽的情况下瞬间沸腾。这种被称为“空化”（cavitation）的现象会产生蒸汽气泡，并在压力回升时剧烈塌陷。虽然这一过程对于创造良好的喷雾至关重要，但这些气泡的剧烈塌陷随着时间的推移会侵蚀喷射器的金属部件，导致失效。几十年来，研究人员一直在研究汽油和柴油等标准燃料是如何发生这种现象的。然而，随着世界向可再生能源转型，一个新问题出现了：当这些复杂的混合燃料被强行通过同样的微小、高压闸口时，它们会表现出怎样的行为？
卢森堡大学的研究团队与燃料系统公司 PHINIA 致力于回答这个问题，重点研究了水和乙醇的混合物。乙醇是一种可以显著降低碳排放的可再生燃料，但它很少以纯态使用；它经常与其他物质混合，包括作为杂质存在或被有意添加的水。研究人员想要了解这两种液体的混合是否会改变气泡形成和塌陷的方式，使其与单一纯液体有所不同。为此，他们构建了一个模拟燃料喷射器内部情况的真实测试台，并使用纯水、纯乙醇以及两者的 50/50 混合物进行了一系列实验。他们将这些流体通过一个三孔喷嘴，入口压力为 100 bar，同时改变出口压力以观察流量的变化。除了这些物理实验外，他们还开发了一种先进的计算机模拟程序，该程序不仅可以追踪流体的运动，还可以追踪水分子和乙醇分子在液态与气态之间转换的具体行为。
实验表明，在涉及空化的起始阶段，喷嘴孔的形状比燃料类型更为重要。一种具有尖锐入口的喷嘴设计，其开始发生空化的压力远高于另一种具有圆润入口且略微锥形的喷嘴设计。圆润的设计使燃料流动更加顺畅，从而延迟了气泡的形成。当研究人员观察不同的燃料时，他们发现总流量主要由液体的密度决定，但混合物的内部行为远比简单取水和乙醇属性的平均值要复杂得多。在计算机模拟中，团队发现当 50/50 的混合物开始沸腾时，形成的蒸汽并非均匀的混合物。相反，由于乙醇比水更容易转化为蒸汽，因此蒸汽由乙醇主导。在最剧烈的情况下，喷嘴内的蒸汽成分中乙醇占比高达 96%，使得留下的液相中水分含量略有增加。
这种组分的分离创造了一种动态机制：水倾向于聚集在孔口的入口处，而富含乙醇的蒸汽则向出口移动。随着蒸汽气泡在通道下游塌陷，乙醇重新冷凝成液体，在出口附近形成了富含乙醇的液滴区域。研究人员还观察到了在流道最窄处形成的细长、丝状的蒸汽结构，他们称之为“液柱”（ligaments）。这些脆弱的蒸汽细丝仅出现在针对混合物的模拟中，而在他们使用单一、均匀的平均属性液体进行建模时，这些结构并不存在。这表明，两种不同分子之间的相互作用创造了独特的流动模式，而简单的模型会遗漏这些模式。尽管存在这些复杂的内部差异，研究人员发现，无论使用复杂的混合物模型还是较简单的平均模型，通过喷嘴的总燃料流量几乎是完全相同的。在最极端的空化情况下，预测流量的差异小于 1%。
这项研究证实，虽然交付的燃料总量不受混合物复杂程度的影响，但流动的内部景观却显著不同。蒸汽并非被动的副产物，而是一个动态区域，其中挥发性更强的乙醇从水中分离出来，创造了明显的富集区，这可能会影响燃料喷射出喷射器的过程以及金属表面的磨损程度。研究人员根据物理实验验证了他们的计算机模型，发现即使在最湍流的情况下，模拟结果与实际测量值的误差也在 10% 以内。这种高度的一致性使他们有信心使用这种详细的模型来探索其他燃料混合物，而无需为每种变化都建造一个新的物理测试台。最终，这项工作为现代发动机极端条件下的可再生燃料混合物行为提供了更清晰的图景，为工程师设计既高效又耐用的喷射器提供了工具，助力世界向脱离化石燃料转型。
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