牛利利，邢桂菊，，段建高，霍兆义

（1.营口理工学院 机械与动力工程学院，辽宁 营口 115014；2.辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051；3.宝山钢铁股份有限公司硅钢事业部，上海 200431）

利用植物油开发生物基机油，不仅低碳环保可生物降解，还具有润滑降磨、冷却、清洁、密封、改善尾气排放等功能，符合我国资源利用发展方向［1-3］。在生物基基础油品开发应用过程中，植物油的黏性流动和传热特性是重点关注问题。直观角度探索黏性流体复杂流动规律是常用的研究手段［4-5］。从基础研究角度，Tanaka等［6］实验模拟研究漂浮在圆盘上活性剂溶液表面的自推进油滴运动轨迹，其模型由驱动力、黏性阻力和来自边界的排斥力组成，成功再现包括雾滴速度功率谱在内的全局轨迹模式。Dalbe等［7］实验研究颗粒充填体中两种流体的相对位移，进行三维可变形颗粒介质中流体-流体位移的形态动力学分析，揭示出流体侵入和介质变形之间的关系。Seiler等［8］实验研究4种不同润湿特性的固体衬底上，由完全湍流驱动的壁面液滴运动规律，推导的模型与实验结果吻合。梁刚涛等［9］通过观测液滴撞击倾斜表面液膜的过程，分析液滴几种变化现象及撞击角对液滴震荡变形、铺展速度的影响，进而得出液滴铺展速度随时间的定量变化规律。从工程应用方面，Barbosa等［10］针对石油开采工程中的问题，实测分析大而窄垂直和倾斜环形管道中高黏油气两相向上流动的漂移通量参数，提出新的流型预测模型，显著优于文献结果。Agboola等［11］研究棉花籽油、棕榈仁油、印楝籽油和棕榈油用于中碳钢的淬火热处理性能，淬火温度分别为34、50、70、100℃，发现植物油适合替代SAE40发动机油，效果较好的是棕榈仁油。

由于植物油的环保性与安全性，人们的应用关注度提升，对其黏温性也有很多研究。巫淼鑫等［12］利用7种食用植物油制备生物柴油，对比运动黏度发现，生物柴油40℃时的运动黏度比其原料植物油降低85%以上。郑发正等［13］对比15种植物油与1种矿物油在40℃和100℃时的运动黏度，并测试抗磨性，表明植物油具有良好的黏温性以及润滑性。孙玉秋等［14］对菜籽油制备的生物柴油低温流动特性进行研究发现，生物柴油黏度和冷滤点降低，黏温性能得到改善。

本文自制实验装置考察3种矿物油和3种植物油在不同温度热空气流作用下的运动过程，并与黏度实验相结合，对比分析植物油与矿物油流温与黏温之间关系，为筛选生物基机油提供依据。

1 实验系统与测试方法

实验选取3种矿物油（80W齿轮油、30机油、辽河油田重油）和3种植物油（福临门芝麻油、金龙鱼菜籽油、西班牙橄榄油）。

对油品流动的观测实验装置如图1所示。采用奥林巴斯SZX12体视显微镜与CCD高速摄像系统，设置显微镜放大倍率为16，高速摄像系统为30 fps。采用恩格拉黏度计测试油品黏度。

图1 实验装置Fig.1 Experimental equipment

在直径为18 mm的管路中建立一个长为50 mm的观测段，观测段水平装入光滑透明的有机玻璃薄板，薄板下无缝布置坐标纸，每小格为1 mm×1 mm。在观测段入口薄板表面均匀静置8 mm×8 mm×0.12 mm油品试样，再从250 mm长的管路入口端通入热空气，流量为0.007 36 m3/s（标况下），热空气分别以31.49 m/s（24℃）、34.01 m/s（48℃）、37.19 m/s（78℃）的流速通过管路掠过观测薄板，油品试样在3种工况的热空气流作用下，以一定速度沿着薄板流进观测段。

根据高速摄像系统传输帧数，计算相邻2帧图像时间间隔为0.034 s。提取油品试样流动图像，在体视显微镜放大倍率16的基础上，再通过电脑将薄板上坐标纸网格的流动图形放大10倍。固定流体的初始位置，计算2个时间点之间油品流动位置的变化。以此方法考察3种矿物油和3种植物油的流动过程。

2 实验结果

2.1 油的流动

在不同温度空气流作用下，机油运动轨迹如图2所示。24℃空气作用下，经过0.408 s，机油流动615μm，48℃时机油流过1 077μm，78℃时机油流过1 769μm。

图2 不同温度空气流作用下机油运动轨迹Fig.2 Movement trajectories of engine oil under airflow at different temperatures

齿轮油、橄榄油、菜籽油、芝麻油的流动状态与矿物油一样，但流动距离不同。依据流动距离计算出各种油在热空气作用下的流动速度，详见表1。

表1 在热空气作用下各种油的流动距离及流速Tab.1 Flow distances and flow speeds of oils under airflow at different temperatures

重油在常温下属于非牛顿流体，空气温度为24℃和48℃时，重油处于凝固状态。空气温度78℃时开始缓慢流动，流动轨迹如图3所示。由于重油中含有0.5%的水分，流动过程中产生气泡。重油的动态形貌呈抛物线状，类似于黏性流体在管内层流速度分布的规律。

图3 重油在78℃空气流条件下的流动Fig.3 Flow of heavy oil under airflow at 78℃

在同温度下，植物油的流速高于矿物油，且三种植物油的流速比较接近。矿物油中齿轮油运动性能最好，从常温到78℃，运动速度高于机油34.1%～58.3%。

2.2 油的黏度测试结果

根据恩氏黏度的实验方法，测得各种油品在24、48、78℃时的恩氏黏度。其中，重油最低温度取35℃。由恩氏黏度Et和运动黏度υ的换算关系

得到对应温度下的运动黏度，详见表2。从常温到78℃温差内，机油的运动黏度高于齿轮油58.3%～65%。在同一温度下3种植物油的运动黏度差异不大，芝麻油的运动黏度相对略小些。

表2 各种油品在不同温度下运动黏度，cm2/sTab.2 Kinematic viscosities of oils at different temperatures，cm2/s

3 油品受热流动的流温与黏温关系

在实验装置中，薄板上的油品非常薄，可视为与薄板融为一体。根据流体外掠平板的对流换热机理［15］，热空气的平均努塞尔准数Nu为

根据热空气的流速u、运动黏度υ与导温系数a得到Re和Pr，进而计算出热空气与薄板上油品的对流换热系数h。式中l为观测段长度，λ为空气的热导率。

利用集总参数法可以确定3种工况下薄板表面油品温度t。当热空气掠过薄板表面（薄板面积A，表面初始油温t0均为20℃）时，其对流换热量φ可由牛顿冷却公式确定

各油品随着温度的升高，黏度减小，流速增大。这便是热空气给于薄板上各油品流动的热动力。热空气与薄板油品间的对流换热参数详见表3。

表3 热空气与油品的对流换热参数Tab.3 Convective heat transfer parameters between hot air and oil

6种油品试样受热空气作用下的流温和黏温特性如图4所示。重油的黏度最大，流动性最差。齿轮油与机油的流速随温度线性增加。从24℃到78℃温度范围内，齿轮油流速从2.39 mm/s上升到5.82 mm/s，运动黏度从0.81 cm2/s下降到0.108 cm2/s；机油流速从1.51 mm/s上升到4.34 mm/s，运动黏度从1.337 cm2/s下降到0.171 cm2/s。齿轮油流速高于机油流速34.1%～58.3%，运动黏度比机油低58.3%～65%。说明齿轮油的流温与黏温特性较好。

图4 各种油的运动黏度及流速随温度的变化Fig.4 Kinematic viscosities and flow velocities of oils

3种植物油的流温与黏温特性比较接近，同温度下的流速大小排列为芝麻油、菜籽油、橄榄油，均高于矿物油。从24℃到78℃温度范围内，芝麻油的流速从4.11 mm/s上升到8.3 mm/s，菜籽油的流速从3.81 mm/s上升到7.82 mm/s，橄榄油的流速从3.02 mm/s上升到7.54 mm/s。芝麻油与菜籽油的黏度随温度变化规律基本一致，24℃时橄榄油运动黏度为0.607 cm2/s最大，78℃时芝麻油运动黏度0.084 cm2/s为最小，当温度超过40℃后，它们的黏度越来越接近齿轮油。因此，可以利用这些植物油开发环保型生物质基齿轮油或机油。

4 结论

（1）运用热空气作用于薄板上油品流动的细观考察及黏度测试方法，可以获得油品流温与黏温特性。

（2）3种矿物油中，齿轮油流温与黏温性能最好，重油流动性最差。齿轮油流速高于机油流速34.1%～58.3%，运动黏度比机油低58.3%～65%。常温下重油为非牛顿流体，在24℃和48℃热空气作用下，均处于凝固状态，热空气达到78℃时才开始缓慢流动，流态呈典型的层流管流分布。

（3）3种植物油的流温性能优势排列为芝麻油、菜籽油和橄榄油，且接近相同的线性变化规律。同温度下，3种植物油的流速均高于矿物油。它们的黏温特性比较接近，在40℃以后3种植物油的运动黏度趋于一致，且越来越接近矿物油中齿轮油的黏温性能。