劉定平 陳沛東

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

幾種噴霧效果檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析

劉定平 陳沛東

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

由于霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，因此，對(duì)霧化效果的準(zhǔn)確檢測(cè)和評(píng)價(jià)顯得十分必要。研究了國(guó)內(nèi)外常用霧化效果檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展情況，分析了機(jī)械、電子和光學(xué)測(cè)量法三類霧化效果檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，總結(jié)了各類方法的優(yōu)越性和局限性。最后，提出了不同工況下各類霧化效果檢測(cè)方法的適用性。

噴霧技術(shù) 霧化效果 機(jī)械測(cè)量 電子測(cè)量 光學(xué)測(cè)量 適用性

0 引言

霧化技術(shù)是一種將液體或液-固懸浮體分散成細(xì)小滴粒的實(shí)用技術(shù)，它可以提供巨大的相間接觸面積。目前，霧化技術(shù)按霧化方式主要可分為機(jī)械霧化、介質(zhì)霧化和超聲波霧化等。其中，超聲波霧化是20世紀(jì)80年代末90年代初以來(lái)新發(fā)展的噴霧技術(shù)，其霧化顆粒細(xì)小、效果優(yōu)良。霧化技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，對(duì)電力、化工、冶金等眾多行業(yè)都具有重要意義。

霧化效果的檢測(cè)是測(cè)試和評(píng)價(jià)霧化器噴霧效果不可或缺的環(huán)節(jié)?？茖W(xué)準(zhǔn)確地檢測(cè)評(píng)價(jià)霧化效果對(duì)提高噴霧效率、降低能源消耗以及優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有較大的推動(dòng)作用。對(duì)不同霧化效果檢測(cè)技術(shù)的適用性研究可為霧化效果檢測(cè)方法的選用與完善提供參考。

1 霧化效果檢測(cè)方法分析

研究發(fā)現(xiàn)，霧化效果的檢測(cè)方法大致可以分為三類，分別是機(jī)械測(cè)量法、電子測(cè)量法和光學(xué)測(cè)量法。這些方法各自具有不同的特點(diǎn)。

1.1 機(jī)械測(cè)量法

機(jī)械測(cè)量法是早期的傳統(tǒng)霧化效果檢測(cè)方法，其主要思想是收集保存噴霧液滴，然后進(jìn)行測(cè)量和分析。機(jī)械測(cè)量法主要包括收集法、液體固化法、液浸法、沉降法和壓痕法等。

收集法由集液箱收集霧化液滴，可測(cè)量液滴的體積、質(zhì)量以及噴霧的混合比、流強(qiáng)等參數(shù)，是現(xiàn)在仍然使用較多的機(jī)械測(cè)量法。吳晉湘等人設(shè)計(jì)了一種兩相探針，探針內(nèi)有夾層壁與楔形口相連，楔形口使液霧不能進(jìn)入夾層，液霧流入密閉的收集箱被收集［1］。該裝置可應(yīng)用于常壓和反壓下的測(cè)量。收集法測(cè)量準(zhǔn)確，但裝置布置較為復(fù)雜，現(xiàn)常用于檢查與標(biāo)定光學(xué)測(cè)量法［2］。Jung K等人使用收集法檢查平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性［3］。

液滴固化法通過(guò)固化液滴保存噴霧結(jié)果，然后進(jìn)行測(cè)量，主要包括冷凍法和熔蠟法。冷凍法是通過(guò)冷凍環(huán)境使噴霧冷凍沉積，拍攝粒子沉積情況以進(jìn)行分析測(cè)量。熔蠟法是在噴射系統(tǒng)中使熔蠟處于與燃油性質(zhì)相似的狀態(tài)，再將熔蠟噴射到常溫環(huán)境使其固化，從而進(jìn)行測(cè)量。

液浸法是把噴射液噴到與之不相溶的接受液中，保存液滴的形狀，拍攝霧化液滴懸浮或沉積的情況，以測(cè)量評(píng)價(jià)。該方法要求接受液與液滴不相溶、黏度大、性質(zhì)穩(wěn)定，以便于攝影，且密度比被測(cè)液滴小。由于輕質(zhì)柴油等石油產(chǎn)品難以找到合適的接受液，故該方法不適用于此類產(chǎn)品，且采用該方法也要考慮在接受液中液滴速度較快、出現(xiàn)互相溶合等現(xiàn)象給測(cè)量帶來(lái)的影響［4］。

沉降法根據(jù)不同質(zhì)量的物體在自由下落時(shí)所受空氣阻力不同的原理，利用沉降塔測(cè)定霧化液滴的尺寸大小分布。在沉降塔上下分別置有噴射裝置和記錄天平。霧化粒子由大到小落下，根據(jù)天平的載重測(cè)定粒子大小分布。該方法要求沉降塔足夠高，因此在實(shí)驗(yàn)室較難實(shí)現(xiàn)，且霧化粒子的蒸發(fā)會(huì)造成誤差。

壓痕法是在一塊玻璃上涂氧化鎂，并在底部加熱使涂料層軟化，通過(guò)粒子撞擊玻璃留下的痕跡來(lái)反映粒子的直徑。采用該方法需重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，如果液滴速度過(guò)快，會(huì)在碰撞時(shí)發(fā)生破裂;玻璃上也可能有多個(gè)粒子撞擊留下的痕跡，使測(cè)量不夠精確。該方法不受噴霧液滴蒸發(fā)的影響，可長(zhǎng)時(shí)間保存噴霧痕跡，適用于高溫和燃燒環(huán)境。

1.2 電子測(cè)量法

電子測(cè)量法是通過(guò)分析霧化液滴產(chǎn)生的電脈沖得到液滴粒徑分布圖譜的統(tǒng)計(jì)方法，主要有電極法、導(dǎo)線法和熱線法。

電極法是將存在電位差的電極放在噴霧場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量霧化液滴表面電阻產(chǎn)生的電脈沖數(shù)目確定液滴數(shù)目，并調(diào)整電位的間隙測(cè)量直徑。該方法會(huì)由于運(yùn)動(dòng)液滴表面電阻隨運(yùn)動(dòng)速度變化，對(duì)系統(tǒng)敏感度的高低造成誤判。

導(dǎo)線法將導(dǎo)線放在霧化場(chǎng)，測(cè)試由霧化液滴撞擊導(dǎo)線引起的電子量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖，以測(cè)量霧化液滴的粒徑和數(shù)目。該方法要求霧化液滴具有良好的導(dǎo)電性。

熱線法將通電熱探頭放在霧化場(chǎng)，通過(guò)液滴撞擊探頭蒸發(fā)帶走的熱量確定粒子的直徑，并根據(jù)產(chǎn)生的電脈沖確定數(shù)目。熱線法是目前應(yīng)用較多的電子測(cè)量法，它能測(cè)量的最小直徑為5 μm［5］。該方法要求液滴速度不能超過(guò)10 m/s［5-6］，故不適用于高速噴射霧化的測(cè)量。

1.3 光學(xué)測(cè)量法

光學(xué)法能對(duì)噴霧場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾檢測(cè)，現(xiàn)已發(fā)展為應(yīng)用廣泛的先進(jìn)霧化評(píng)價(jià)方法。光學(xué)法主要分為攝影法和非攝影法。攝影法主要包括直接攝影法、粒子圖像速度場(chǎng)儀(particle image velocimetry，PIV)法和激光全息攝影法等。

直接攝影法采用相機(jī)直接對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍照，通過(guò)圖像分析軟件處理圖片，并進(jìn)行分析測(cè)量。采用直接攝影法研究液膜破碎的特性試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示［7］。

圖1 直接攝影試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Direct photography test system

圖1中，水被混合成藍(lán)色，由閥門控制水的流量，由電子測(cè)壓計(jì)測(cè)量壓力。高速數(shù)碼相機(jī)以每秒15 000幀的速度在低亮度的情況下拍照，圖片通過(guò)計(jì)算機(jī)分析得到數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)定了液膜破碎的長(zhǎng)度、霧化粒子的尺寸大小和速度。

PIV法是在流場(chǎng)中布撒示蹤粒子，并配以多次曝光照明系統(tǒng)，對(duì)噴霧場(chǎng)粒子進(jìn)行拍照分析的一種光學(xué)分析法。PIV技術(shù)系統(tǒng)通常包括示蹤粒子、成像系統(tǒng)(包括曝光系統(tǒng)和CCD數(shù)碼相機(jī))和圖像與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其示意圖如圖2所示［8］。

圖2 PIV技術(shù)系統(tǒng)Fig.2 The PIV technical system

PIV法使用的示蹤粒子應(yīng)具有無(wú)毒、無(wú)腐蝕、性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)［9］，且流動(dòng)跟隨性好，故直徑應(yīng)較小，但同時(shí)也要保證粒子足夠大，以滿足散光性的要求［10］。典型的曝光系統(tǒng)是雙YAG脈沖激光器組系統(tǒng)。早期照相機(jī)拍攝的信息直接記錄在PIV底片，底片需進(jìn)行濕處理以作進(jìn)一步分析。目前，PIV法多采用CCD數(shù)碼相機(jī)直接把拍照信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)分析，但CCD數(shù)碼相機(jī)的空間分辨力低于PIV底片。

PIV法能直觀地反映霧化場(chǎng)情況［11］，可靠性高。但由于拍攝圖片會(huì)產(chǎn)生不聚焦粒子，使這些粒子在圖片中的大小比實(shí)際大，圖片邊緣的粒子也會(huì)給分析帶來(lái)困難［12］，所以該方法需要用圖像分析軟件處理圖片，且后期數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)工作較多。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，PIV法逐漸向三維化發(fā)展，主要有采用多臺(tái)CCD攝像機(jī)從不同角度拍照的方法和全息粒子圖像測(cè)速技術(shù)。

激光全息攝像法是運(yùn)用全息照相技術(shù)，對(duì)噴霧場(chǎng)拍攝全息圖片、記錄噴霧場(chǎng)信息的方法，包括同軸全息術(shù)和離軸全息術(shù)，可分為記錄和再現(xiàn)兩步［13］。激光全息攝影法測(cè)量的對(duì)象范圍廣、適用性強(qiáng)，可測(cè)量粒子粒徑和速度，精度高，分辨率可達(dá) 2 μm［14］，能消除系統(tǒng)誤差。但激光全息攝像法也需要較多的圖片分析工作，對(duì)光學(xué)設(shè)備的要求較高。運(yùn)用激光全息攝影法測(cè)量?jī)上嗔魅S空間速度的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示［15］。試驗(yàn)通過(guò)重建分析相隔時(shí)間Δt的兩張全息圖片獲取速度信息，實(shí)現(xiàn)了兩相流三維空間速度的測(cè)量。

圖3 激光全息攝影試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Laser holographic test system

非攝影法主要可分為基于激光多普勒效應(yīng)(即反射或折射光干涉原理)和基于繞射散射光原理的方法［15］。基于激光多普勒效應(yīng)的方法主要有激光多普勒測(cè)速儀(laser Doppler velocimetry，LDV)法、相位多普勒測(cè)速儀(phase Doppler anemometry，PDA)法和光強(qiáng)疊加技術(shù)儀法。基于繞射散射光原理的方法有馬爾文法、光強(qiáng)比例方法和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(laser induced fluorescence，LIF)等。在此以PDA法、馬爾文法和LIF技術(shù)為例介紹此類測(cè)量方法的特點(diǎn)。

PDA法是根據(jù)多普勒效應(yīng)的典型測(cè)量方法，PDA系統(tǒng)通常由發(fā)射光路系統(tǒng)、吸收光路系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、位移系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析軟件組成。系統(tǒng)通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)粒子發(fā)出的光的頻率和照射在運(yùn)動(dòng)粒子上的光的頻率的頻差得到粒子速度，通過(guò)分析多個(gè)探測(cè)器之間的相位差得到粒子的粒徑。

運(yùn)用PDA法分析氣包液的水氣霧化噴嘴的霧化特性，可測(cè)定不同工況下霧化粒子的尺寸和速度［16］?；赑DA技術(shù)的粒子分析試驗(yàn)儀器系統(tǒng)能測(cè)量直徑為0.5 μm至幾毫米的球形粒子的大小，其能測(cè)量的最大速度為 500 m/s［17］。

PDA法能同時(shí)測(cè)量粒子大小和速度分布，快速準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作較簡(jiǎn)單。但PDA法是對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，只適合測(cè)量球形的霧化粒子，不適用于霧化粒子密度較大的噴霧場(chǎng)［18］。

可適性相位多普勒激光測(cè)速儀(adaptive phase/Doppler velocimeter，APV)法是基于激光多普勒效應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展的方法，其測(cè)試能力更強(qiáng)，測(cè)量范圍更廣，且不受霧化場(chǎng)介質(zhì)濃度和成分的影響［19］，但其受示蹤粒子選擇等實(shí)際測(cè)量條件的影響較大。

馬爾文法是被廣泛使用的檢測(cè)方法，其工作原理是發(fā)射室向噴霧場(chǎng)發(fā)射激光后，通過(guò)收集被霧化粒子散射的激光信號(hào)進(jìn)行分析，將接收的散射光能分布換算成粒子的尺寸分布，可測(cè)量1～1 800 μm的粒子尺寸分布和速度［6，15］。運(yùn)用馬爾文法對(duì)高壓下水霧霧化特性進(jìn)行分析，以測(cè)量霧化粒子的尺寸。馬爾文粒度分析儀系統(tǒng)原理圖如圖4所示［20］。

圖4 馬爾文粒度分析儀系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of the Malvern particle size analyzer system

馬爾文法測(cè)量快速準(zhǔn)確，通用性和重復(fù)性好。但由于設(shè)備昂貴，受光敏元件制造重復(fù)性產(chǎn)生誤差的制約，不宜在高溫、霧化粒子密度大、噴霧場(chǎng)光路太長(zhǎng)等條件下測(cè)量。

激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)是利用某些物質(zhì)分子或原子受激光激發(fā)產(chǎn)生熒光的特性測(cè)量流動(dòng)特性的方法。其原理是熒光染料在激光照射下，原子或分子發(fā)生躍遷產(chǎn)生熒光，用CCD相機(jī)捕捉熒光信號(hào)，經(jīng)圖像處理分析，測(cè)定噴霧場(chǎng)的流強(qiáng)和混合比參數(shù)［2］。

聯(lián)合運(yùn)用PIV法和LIF法分析旋流噴嘴噴射燃料的噴霧和周圍環(huán)境的空氣流動(dòng)特性，可測(cè)定噴霧速度場(chǎng)等參數(shù)［21］。但目前技術(shù)還不夠成熟，LIF技術(shù)的測(cè)量誤差會(huì)隨霧化粒子密度的增大而增大［2］。

2 幾種檢測(cè)方法對(duì)比分析

幾種常見(jiàn)的霧化效果檢測(cè)方法對(duì)比情況介紹如下。

①機(jī)械測(cè)量法、電子測(cè)量法和光學(xué)測(cè)量法三類霧化效果檢測(cè)方法各有特點(diǎn)，如表1所示。

表1 霧化效果檢測(cè)方法對(duì)比分析Tab.1 Comparison of atomization detection methods

② PIV法和PDA法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的兩 種光學(xué)測(cè)量法，兩種方法的特點(diǎn)如表2所示。

表2 PIV法與PDA法對(duì)比分析Tab.2 Comparison of PIV and PDA

③試驗(yàn)可同時(shí)采用多種霧化效果檢測(cè)方法，發(fā)揮各方法的優(yōu)勢(shì)，并互相補(bǔ)充，使檢測(cè)更科學(xué)準(zhǔn)確。如Barreras F等人運(yùn)用PIV法和馬爾文法分別測(cè)量粒子的速度和尺寸分布［22］;Kashdan J T等人把基于圖片分析技術(shù)得到的數(shù)據(jù)與PDA法的測(cè)量數(shù)據(jù)相互對(duì)比驗(yàn)證［23］;Esmail M等人使用高速數(shù)碼相機(jī)研究燃料噴嘴的霧化特性，并將測(cè)量數(shù)據(jù)和激光熒光誘導(dǎo)技術(shù)、PDA技術(shù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析［24］。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合目前各種霧化效果檢測(cè)方法可知，機(jī)械測(cè)量法是傳統(tǒng)的霧化效果檢測(cè)方法，其精度較低，適用于定性研究霧化效果;電子測(cè)量法應(yīng)用電子領(lǐng)域的原理進(jìn)行測(cè)量，精度比機(jī)械法高，適用于對(duì)電子性能較好的霧化粒子的測(cè)量;光學(xué)測(cè)量法實(shí)現(xiàn)了無(wú)干擾測(cè)量，是高精度的測(cè)量方法，可被廣泛應(yīng)用。各種霧化效果檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有可以絕對(duì)替代其他方法的檢測(cè)方法。因此，實(shí)際測(cè)量中應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的具體情況，選擇合適的霧化效果檢測(cè)方法，或采用多種檢測(cè)方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證，以獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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Analysis on Several Detection Techniques for Atomization Effects

Due to the wide use of atomization technology in all walks of life，the accurate detection and evaluation on the effects of atomization are necessary.The latest development of the atomization detection techniques commonly used at home and abroad is researched，and the features and applications of three categories of detection techniques，i.e.，mechanical measurement methods，electronic measurement methods and optical measurement methods are analyzed，and their advantages and limitations are concluded.Finally，the adaptability of each atomization detection method under different operation conditions is proposed.

Atomization technology Atomization effect Mechnical measurement Electronic measurementOptical measurementAdaptability

TK421

A

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):S1010561100)。

修改稿收到日期:2011-09-02。

劉定平(1965-)，男，1990年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)熱能動(dòng)力裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授;主要從事脫硫脫銷方面的研究。