1.3試驗方法

進行閉環控制的加速度傳感器安裝在鋁制底座上，進行正弦振動的驅動力通過連接的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動力產生的振動是否符合目標值，在單張濾紙工裝頂部安裝加速度傳感器并采集其振動信號，與輸入振動控制系統的參數進行對比。在9.8 m/s2加速度的驅動下，單張濾紙工裝的振動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動值的偏差變大，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作為試驗參數。

圖5不同振動頻率的疊加加速度

油水分離試驗臺的原理如圖6所示。通過向水滴霧化裝置上游管路內按質量比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，調節壓差得到合適粒徑分布的水滴進行油水分離效率試驗。

圖6油水分離試驗臺原理圖

振動條件下的柴油–水分離試驗根據ISO 16332測試標準進行。先調節振動試驗臺的驅動力使安裝在工裝頂部的加速度傳感器顯示值為目標值，然后開始油水分離試驗。

每次試驗時間為60 min，在開始試驗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進樣器取樣約0.4 mL，并用卡爾費休法對柴油中水的含量進行測定。

柴油–水分離效率η的計算公式如式（1）、式（2）所示。

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

1.4振動數據的分析和選取

在某型號商用車的柴油油水分離器的頂部安裝加速度傳感器測量加速度信號，在鋪裝路面以80 km/h的速度且無換擋操作行駛時對車輛進行振動信號的采集，采集時長為30 min。對采集的數據進行處理得到振動信號。

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

2振動頻率對油水分離效率的影響

2.1聚結式濾紙

濾紙在流量為1 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%對應的粒徑），加速度為39.2 m/s2下不同的振動方向和頻率與油水分離效率的關系。

1號濾紙在20 Hz的振動條件下，沿X、Y、Z方向振動下的油水分離效率與無振動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的振動條件下，沿Z方向振動分離效率有2.5%的提升，沿X方向和Y方向的振動對油水分離效率無明顯影響，且100、150、200、300 Hz的的振動條件下均無明顯變化，與無振動條件下的84.4%相比差值均在2%以內。2號濾紙的分離效率隨振動條件的改變幾乎沒有變化。

計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，FD為纖維對水滴的粘附力，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是接觸線長度L，在水滴逐漸遠離纖維的過程中，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，并應保持足夠長的時間以使水滴能完全從纖維上分離。

為了簡化計算，假設水滴是標準的球，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）進行計算。

式中，ds表示對曲線s進行微分。

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位置有關，即L=f（b）。選擇不同直徑的水滴并計算對應的最大接觸線長度，對散點進行擬合得到公式（6）。式（6）與計算結果有較好的擬合度。

單個水滴被單根纖維粘附在流場中的受力，Fg、Fb、Fd分別為水滴受到的重力、浮力和曳力，計算公式如式（7）~式（9）所示。流體繞過圓球的流動中，雷諾數小于1時，繞球流動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為柴油的動力黏度，Pa·s；u為柴油的流動速度，m/s。

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

試驗使用的柴油在20℃下的動力黏度為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，將數據代入公式計算可得水滴分離的臨界直徑約為4 520μm。

簡諧運動由公式（11）定義。

式中，φ0為振動的初始相位角；f為振動頻率；y0為振幅。若使初始相位角為0并對y（t）進行求導可得加速度a與時間t的關系，如式（12）所示。

開始振動后，水滴由于慣性作用所受到的虛擬慣性力Fi由式（13）計算。