利用新研制的懸滴法液體表面張力實驗系統(tǒng)測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驗值隨溫度的升高呈線性減小的趨勢。

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；著火點及燃燒時的火焰溫度相近。同時甲醇的來源廣泛、價格低廉，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，以固體聚合物作為電解質(zhì)的直接甲醇燃料電池(DMFC)，更兼有運行溫度低、易于封裝攜帶和安全性高等優(yōu)點，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，同時具有較高的沸點和較強(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)，對于燃料在發(fā)動機(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，延長了燃燒時間，降低了汽油機(jī)的熱效率。因此，在設(shè)計和優(yōu)化汽油機(jī)噴射器時，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驗系統(tǒng)測量了其混合物表面張力，為柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

實驗本體材料為316不銹鋼，設(shè)計承壓范圍為0—20MPa，兩端設(shè)計有法蘭結(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。實驗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。實驗系統(tǒng)的溫度范圍為20—180℃，溫度波動度好于±10mK。本體溫度采用ASL F200高精度溫度測量儀測量，校準(zhǔn)證書顯示的全量程測溫不確定度為±10mK，Pt100溫度計由北京計量院標(biāo)定，標(biāo)定證書顯示的不確定度為±5mK。因此，本文實驗系統(tǒng)的溫度擴(kuò)展不確定度為±30mK(k=2)。實驗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個懸滴共計30張圖片，擬合計算并取平均值作為最后的實驗結(jié)果。

3 結(jié)果與討論 

 3.1 系統(tǒng)測量不確定度分析

本文實驗系統(tǒng)的測量不確定度由以下誤差傳遞公式估計為：

式中：(?σ/?T)·(ΔT/σ)表示溫度波動引入的不確定度；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。

實驗系統(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)所測液體的表面張力大于10mN·m時，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為利用懸滴實驗系統(tǒng)測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型振動管密度計測得的結(jié)果。甲醇的密度數(shù)據(jù)取自NIST REFPROP9.0[10]。本文測量時的溫度不高，各物質(zhì)的氣相密度很小，因此在實際計算中可將其忽略不計。實驗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，實驗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，實驗值與方程擬合值的最大偏差為0.16%，平均偏差為0.089%。