利用新研制的懸滴法液體表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了二甲基亞砜和甲醇在溫度為303.15—323.15K的表面張力，并擬合了計(jì)算方程。通過與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較發(fā)現(xiàn)，文中數(shù)據(jù)和方程與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)偏差不超過±1%。在此基礎(chǔ)之上，測(cè)量了二甲基亞砜與甲醇二元混合溶液在303.15—323.15K溫度區(qū)間內(nèi)，DMSO摩爾分?jǐn)?shù)在0.1—0.9的表面張力，由結(jié)果可知不同配比下混合溶液表面張力實(shí)驗(yàn)值隨溫度的升高呈線性減小的趨勢(shì)。

甲醇與傳統(tǒng)的車用燃料汽油有許多相似的性質(zhì)：如二者的密度相同；著火點(diǎn)及燃燒時(shí)的火焰溫度相近。同時(shí)甲醇的來源廣泛、價(jià)格低廉，且不含石油燃料中必含的硫、苯、芳烴、烯烴等致癌物質(zhì)，適宜作為汽油的替代燃料之一。與汽油相比，甲醇燃燒后的廢氣中CO、HC等有害物質(zhì)的含量顯著降低[1-3]。同時(shí)，以固體聚合物作為電解質(zhì)的直接甲醇燃料電池(DMFC)，更兼有運(yùn)行溫度低、易于封裝攜帶和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，未來將廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和汽車等領(lǐng)域。

二甲基亞砜(DMSO)是一種較強(qiáng)的極性溶劑，可以與甲醇進(jìn)行任意比例的互溶，同時(shí)具有較高的沸點(diǎn)和較強(qiáng)的可燃性，在石油、化工、醫(yī)藥、電子、合成纖維、塑料、印染等行業(yè)中常作為萬能溶劑。二甲基亞砜廣泛應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)研究，常用作聚合物的溶劑。

表面張力作為燃料的重要性能指標(biāo)，對(duì)于燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的霧化過程有著重要的影響。一般地，表面張力較高會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)噴霧困難，液體燃料不易破碎成較小的液滴，延長了燃燒時(shí)間，降低了汽油機(jī)的熱效率。因此，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化汽油機(jī)噴射器時(shí)，為了達(dá)到滿意的霧化性能指標(biāo)，以提高汽油機(jī)效率和降低有害污染物和顆粒排放，首先必須精確地獲取燃料在較寬的溫度范圍內(nèi)的表面張力。但是，國內(nèi)外現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)表明，甲醇與二甲基亞砜混合物表面張力數(shù)據(jù)仍屬空白，因此本文將利用課題新研制的高精度懸滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了其混合物表面張力，為柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)驗(yàn)本體材料為316不銹鋼，設(shè)計(jì)承壓范圍為0—20MPa，兩端設(shè)計(jì)有法蘭結(jié)構(gòu)的觀察窗。懸滴通過不銹鋼針頭形成，其端口平整，外徑規(guī)格為(1.61±0.005)mm，內(nèi)徑為0.3mm，通過螺紋結(jié)構(gòu)緊固于本體內(nèi)。采用LED白色冷光源和1400萬像素的CMOS相機(jī)及其放大鏡頭采集懸滴圖像。實(shí)驗(yàn)本體溫度采用電加熱分段控制，在其非觀察面上均勻纏繞電加熱絲并利用Fluke2100溫度控制器控制其溫度，在觀察窗兩側(cè)安裝有加熱筒，并控制加熱筒的溫度高于本體溫度約5—10℃，防止在升溫的過程中窗口結(jié)霧。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度范圍為20—180℃，溫度波動(dòng)度好于±10mK。本體溫度采用ASL F200高精度溫度測(cè)量儀測(cè)量，校準(zhǔn)證書顯示的全量程測(cè)溫不確定度為±10mK，Pt100溫度計(jì)由北京計(jì)量院標(biāo)定，標(biāo)定證書顯示的不確定度為±5mK。因此，本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度擴(kuò)展不確定度為±30mK(k=2)。實(shí)驗(yàn)本體通過螺紋桿懸至于環(huán)氧樹脂保溫箱體內(nèi)部，并利用調(diào)平螺母調(diào)節(jié)本體的高度和水平，從而使其內(nèi)部的針管處于鉛垂位置并在相機(jī)視野的中心。待本體溫度穩(wěn)定30min后，開始采集懸滴圖像，每滴采集10次，間隔為3s，至少采集3個(gè)懸滴共計(jì)30張圖片，擬合計(jì)算并取平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果與討論 

 3.1 系統(tǒng)測(cè)量不確定度分析

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度由以下誤差傳遞公式估計(jì)為：

式中：(?σ/?T)·(ΔT/σ)表示溫度波動(dòng)引入的不確定度；Δρ_l/(ρ_l-ρ_g)和Δρ_g/(ρ_l-ρ_g)分別表示氣液相密度值引入的不確定度；Δβ/β和ΔR₀/R₀表示擬合計(jì)算結(jié)果引入的不確定度；(?σ/?L)·(ΔL/σ)表示像素尺寸誤差引入的不確定度。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度擴(kuò)展不確定度為±30mK(k=2)。液體溫度變化1K所引起的表面張力變化小于0.2mN/m，當(dāng)所測(cè)液體的表面張力大于10mN·m時(shí)，溫度的不確定度為(?σ/?T)·(ΔT/σ)≈0.06%。氣液相密度的不確定度貢獻(xiàn)分別為0.005%和0.2%。重力加速度值一般比較精確，其不確定度貢獻(xiàn)可忽略。擬合β和R₀的不確定度貢獻(xiàn)分別為Δβ/β=0.05%和ΔR₀/R₀=0.005%。考慮到0.001μm的像素尺寸誤差引入的偏差約為0.05%，像素尺寸的誤差不超過0.001μm，因此由像素尺寸引入的不確定度貢獻(xiàn)(?σ/?L)·(ΔL/σ)小于0.05%。綜上所述，本文系統(tǒng)測(cè)量表面張力的擴(kuò)展不確定度為0.44%(k=2)。

表1為利用懸滴實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量的二甲基亞砜及甲醇在303.15–323.15 K溫度區(qū)間內(nèi)的表面張力值。其中，二甲基亞砜的密度數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[9]采用AntonPaarU型振動(dòng)管密度計(jì)測(cè)得的結(jié)果。甲醇的密度數(shù)據(jù)取自NIST REFPROP9.0[10]。本文測(cè)量時(shí)的溫度不高，各物質(zhì)的氣相密度很小，因此在實(shí)際計(jì)算中可將其忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程中所使用的二甲基亞砜及甲醇均采購自阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，純度為99.5%，使用前未做進(jìn)一步提純。

分別將二甲基亞砜和甲醇表面張力數(shù)據(jù)擬合為Van der Waals形式：

σ = σ₀ (1 - T/T_c)^μ (4)

式中：T_c的單位為K；二甲基亞砜的臨界溫度為T_c=707K，擬合值σ₀=76.255911 mN/m，μ=1.07134，實(shí)驗(yàn)值與方程擬合值的最大偏差為0.085%，平均偏差為0.06%；甲醇的臨界溫度為T_c=512.6K，擬合值σ₀=46.05784 mN/m，μ=0.839733，實(shí)驗(yàn)值與方程擬合值的最大偏差為0.16%，平均偏差為0.089%。