1.3試驗(yàn)方法

進(jìn)行閉環(huán)控制的加速度傳感器安裝在鋁制底座上，進(jìn)行正弦振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力通過連接的4顆螺栓傳遞到單張濾紙工裝。為了判斷傳遞到單張濾紙工裝上的驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的振動(dòng)是否符合目標(biāo)值，在單張濾紙工裝頂部安裝加速度傳感器并采集其振動(dòng)信號(hào)，與輸入振動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。在9.8 m/s2加速度的驅(qū)動(dòng)下，單張濾紙工裝的振動(dòng)頻率與輸入頻率有很好的一致性，但加速度與輸入值相比有較大的誤差，隨著頻率的增加與驅(qū)動(dòng)值的偏差變大，單張濾紙工裝的加速度隨頻率的變化情況如圖5所示。為了確保試驗(yàn)條件的一致性，選擇單張濾紙工裝頂部安裝的加速度傳感器的讀數(shù)作為試驗(yàn)參數(shù)。

圖5不同振動(dòng)頻率的疊加加速度

油水分離試驗(yàn)臺(tái)的原理如圖6所示。通過向水滴霧化裝置上游管路內(nèi)按質(zhì)量比0.15%的比例注水，油水混合物通過孔板裝置后柴油中的水會(huì)破散成更小的水滴，通過控制水滴霧化裝置兩端的壓差可以得到不同粒徑分布的水滴，調(diào)節(jié)壓差得到合適粒徑分布的水滴進(jìn)行油水分離效率試驗(yàn)。

圖6油水分離試驗(yàn)臺(tái)原理圖

振動(dòng)條件下的柴油–水分離試驗(yàn)根據(jù)ISO 16332測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。先調(diào)節(jié)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力使安裝在工裝頂部的加速度傳感器顯示值為目標(biāo)值，然后開始油水分離試驗(yàn)。

每次試驗(yàn)時(shí)間為60 min，在開始試驗(yàn)10 min后每隔10 min分別在上下游使用磨口瓶取樣約30 mL，并滴入5~8滴磺基琥珀酸鈉溶液劇烈搖晃使水均勻分散在柴油中。上下游樣品分別使用1 mL進(jìn)樣器取樣約0.4 mL，并用卡爾費(fèi)休法對(duì)柴油中水的含量進(jìn)行測(cè)定。

柴油–水分離效率η的計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，C為水質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C1為上游水含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C2為下游水質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m為樣品含水質(zhì)量；m1為取樣器向微量水分離儀注入柴油–水混合液前的質(zhì)量；m2為取樣器向微量水分析儀注入柴油–水混合液后的質(zhì)量。

1.4振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析和選取

在某型號(hào)商用車的柴油油水分離器的頂部安裝加速度傳感器測(cè)量加速度信號(hào)，在鋪裝路面以80 km/h的速度且無換擋操作行駛時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集，采集時(shí)長為30 min。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到振動(dòng)信號(hào)。

車輛在行駛中傳遞到油水分離器上的振動(dòng)主要集中在10~340 Hz，沿X方向的主要振動(dòng)頻率為20、45、100、200、300 Hz，沿Y方向的主要振動(dòng)頻率為20、50、100、175、203、300 Hz，沿Z方向的主要振動(dòng)頻率為20、100 Hz，加速度均大于8 m/s2，沿Y方向100 Hz的振動(dòng)加速度最大約為39.2 m/s2。為了方便對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，最終選擇在頻率為20、50、100、150、200、300 Hz，加速度為39.2 m/s2的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

2振動(dòng)頻率對(duì)油水分離效率的影響

2.1聚結(jié)式濾紙

濾紙?jiān)诹髁繛? L/min（等效面流速5 cm/min），油水界面張力為22 mN/m，水滴的DV50為20μm（DV50為體積分布中50%對(duì)應(yīng)的粒徑），加速度為39.2 m/s2下不同的振動(dòng)方向和頻率與油水分離效率的關(guān)系。

1號(hào)濾紙?jiān)?0 Hz的振動(dòng)條件下，沿X、Y、Z方向振動(dòng)下的油水分離效率與無振動(dòng)相比均有較明顯的變化，其分離效率分別下降4.2%、2.7%、3.5%；在50 Hz的振動(dòng)條件下，沿Z方向振動(dòng)分離效率有2.5%的提升，沿X方向和Y方向的振動(dòng)對(duì)油水分離效率無明顯影響，且100、150、200、300 Hz的的振動(dòng)條件下均無明顯變化，與無振動(dòng)條件下的84.4%相比差值均在2%以內(nèi)。2號(hào)濾紙的分離效率隨振動(dòng)條件的改變幾乎沒有變化。

計(jì)算作用于附著在單根纖維上的水滴的粘附阻力的公式，如式（3）所示。

式中，F(xiàn)D為纖維對(duì)水滴的粘附力，N；σ為水滴的表面張力，N/m；L為水滴與纖維的接觸線長度，μm；θc為水滴與纖維的接觸角。在水滴與纖維的分離過程中唯一改變的參數(shù)是接觸線長度L，在水滴逐漸遠(yuǎn)離纖維的過程中，接觸線長度逐漸變小。因此，從纖維上分離水滴所需的力F必須克服將水滴固定在合適位置的力FD，并應(yīng)保持足夠長的時(shí)間以使水滴能完全從纖維上分離。

為了簡化計(jì)算，假設(shè)水滴是標(biāo)準(zhǔn)的球，纖維是圓柱，則球面和圓柱面的交線長度即為接觸線長度。交線的曲線方程如式（4）所示。

式中，dd為水滴的直徑，μm；b為水滴球心與纖維軸線的距離，μm；ddf為濾紙纖維的直徑，μm。接觸線長度可以使用式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中，ds表示對(duì)曲線s進(jìn)行微分。

纖維的直徑已知，若水滴的直徑為定值，則L的值與水滴和纖維的相對(duì)位置有關(guān)，即L=f（b）。選擇不同直徑的水滴并計(jì)算對(duì)應(yīng)的最大接觸線長度，對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到公式（6）。式（6）與計(jì)算結(jié)果有較好的擬合度。

單個(gè)水滴被單根纖維粘附在流場中的受力，F(xiàn)g、Fb、Fd分別為水滴受到的重力、浮力和曳力，計(jì)算公式如式（7）~式（9）所示。流體繞過圓球的流動(dòng)中，雷諾數(shù)小于1時(shí)，繞球流動(dòng)主要受流體黏性影響。

式中，ρc為柴油的密度，842 kg/m3；ρd為水的密度，998 kg/m3；μc為柴油的動(dòng)力黏度，Pa·s；u為柴油的流動(dòng)速度，m/s。

當(dāng)水滴所受的重力、浮力、曳力之和大于纖維的最大粘附力時(shí)，如公式（10）所示，水滴從纖維上脫離。

試驗(yàn)使用的柴油在20℃下的動(dòng)力黏度為3.48×10-3 Pa·s，去離子蒸餾水的界面張力為72×10-3 N/m，大致得出纖維的直徑約為1.5×10-6 m，柴油的流速為8.33×10-4 m/s，將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算可得水滴分離的臨界直徑約為4 520μm。

簡諧運(yùn)動(dòng)由公式（11）定義。

式中，φ0為振動(dòng)的初始相位角；f為振動(dòng)頻率；y0為振幅。若使初始相位角為0并對(duì)y（t）進(jìn)行求導(dǎo)可得加速度a與時(shí)間t的關(guān)系，如式（12）所示。

開始振動(dòng)后，水滴由于慣性作用所受到的虛擬慣性力Fi由式（13）計(jì)算。