申力鑫，王成軍，張中飛，于 雷，劉愛(ài)虢

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

基于PIV技術(shù)的噴霧場(chǎng)試驗(yàn)研究

申力鑫，王成軍，張中飛，于 雷，劉愛(ài)虢

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

以WP7燃油噴嘴為研究對(duì)象，利用非接觸式激光測(cè)試技術(shù)粒子成像測(cè)速儀PIV(Particle Image Velocimetry)測(cè)量了雙油路霧化噴嘴所形成的噴霧場(chǎng)，得到了不同油路不同壓力下的噴霧場(chǎng)圖像與速度矢量圖。試驗(yàn)圖像表明：霧化過(guò)程是一個(gè)從液膜到液滴，再二次霧化或者重新聚合的復(fù)雜過(guò)程；在一定壓力范圍內(nèi)，噴霧錐角與供油壓力的大小無(wú)關(guān)；不同的油路情況下，噴霧錐角也不相同，且與噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。

PIV;雙油路;壓力霧化噴嘴;噴霧錐角;速度分布;液膜

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，燃油是在經(jīng)過(guò)噴嘴霧化之后，以液霧的形式進(jìn)入的，噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的重要組成部件,噴嘴性能的好壞將對(duì)燃燒室的燃燒過(guò)程有著重要的影響,將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火速度、啟動(dòng)速度和穩(wěn)定性、溫度分布以及排氣污染等各個(gè)方面的性能[1-4]，因此，液霧的特性也決定了燃燒的質(zhì)量。為了提高燃燒效率，降低污染排放，拓寬穩(wěn)定燃燒范圍，新燃燒概念和新霧化技術(shù)不斷地提出和發(fā)展，對(duì)于噴嘴霧化性能的要求也越來(lái)越高。而噴嘴霧化性能的好壞是根據(jù)燃燒室的工作要求來(lái)提出指標(biāo)的，主要包括液滴尺寸分布、霧化細(xì)度、霧化均勻度和噴霧錐角等。

噴霧研究一直是國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域中重要的一個(gè)方面，早期對(duì)噴嘴噴霧場(chǎng)的測(cè)量主要有陰影法、紋影法以及沉降法、凍結(jié)法和接觸法[5-6]，隨著對(duì)霧化機(jī)理了解的進(jìn)一步加深，這些方法已經(jīng)無(wú)法滿足研究的需要。到20世紀(jì)70年代，光學(xué)測(cè)量技術(shù)開(kāi)始逐漸應(yīng)用在噴霧場(chǎng)測(cè)量上，發(fā)展到現(xiàn)在，激光測(cè)試技術(shù)在噴霧場(chǎng)測(cè)量上的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，包括PIV(Particle Image Velocimetry)[7]、LDV(Laser Doppler Velocimetry)、PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)[8]、PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)等[9]。這些技術(shù)測(cè)量的側(cè)重領(lǐng)域都各不相同，其中，PIV在速度場(chǎng)的測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用,美國(guó)學(xué)者M(jìn).A.Beeck、G.M.Bianch以及M.TsueS.Takagishi等利用PIV技術(shù)對(duì)噴霧結(jié)構(gòu)和液滴運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較多的研究[10-13]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬成為另外一種研究噴嘴噴霧特性的有效方法，該方法耗時(shí)短，耗費(fèi)小，并且能夠簡(jiǎn)單快捷的研究各種參數(shù)對(duì)噴嘴霧化特性的影響。利用這兩種方法，相關(guān)研究者不僅對(duì)噴嘴的霧化性能參數(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，噴射介質(zhì)物性和工作環(huán)境參數(shù)對(duì)噴霧的影響方面也進(jìn)行了研究[14-16]。

本文運(yùn)用PIV測(cè)試技術(shù)，選取渦噴7發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴作為研究對(duì)象，此噴嘴為雙油路壓力霧化噴嘴，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試此噴嘴在不同主副油路壓力下噴霧場(chǎng)的速度分布和噴霧錐角等參數(shù)，并分析其霧化特性，討論不同的主副油路壓力對(duì)噴霧場(chǎng)的影響，以進(jìn)一步了解噴霧性能對(duì)燃燒室燃燒性能影響的原因，為噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由燃油噴嘴試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)器計(jì)量系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PIV測(cè)試系統(tǒng)組成(圖1)。試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)供油控制臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)主副油路的開(kāi)關(guān)與供油量的大小，同時(shí)可以通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力的變化。

試驗(yàn)噴嘴為雙油路壓力霧化噴嘴，如圖2 所示。噴嘴殼體內(nèi)有主、副兩條油路，相互獨(dú)立，并有各自的旋流器和噴口。試驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，噴射介質(zhì)為RP-2航空煤油，其動(dòng)力粘性系數(shù)μ=0.001 159 N·m-1·s-1，表面張力系數(shù)σ=0.025 3 N·m-1，密度ρ=778 kg·m-3。

圖1 燃油噴嘴綜合試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖2 噴嘴實(shí)物圖

PIV測(cè)試系統(tǒng)的硬件基本組成部件有:YAG激光器、導(dǎo)光臂、同步控制器、激光器鏡頭、其他各種固定裝置、CCD相機(jī)等。圖3所示的是PIV測(cè)試系統(tǒng)示意圖，激光片光由雙脈沖Nd：YAG激光器作為光源，單個(gè)脈沖最高能量為200 mJ，脈沖激光波長(zhǎng)為532 nm。CCD相機(jī)是一個(gè)數(shù)碼相機(jī)，其分辨率為2048×2048，幀速為32幀。同步控制器的時(shí)間分辨率是1 ns，負(fù)責(zé)精確的接收外部信號(hào)以協(xié)調(diào)各部件的工作時(shí)序，控制CCD相機(jī)的拍攝頻率與激光頻率保持一致。激光器鏡頭由焦距為-15 mm的柱面鏡和焦距為500 mm的球面鏡組成，激光經(jīng)過(guò)兩個(gè)透鏡，最終射出的是一條細(xì)長(zhǎng)的豎線，豎線打在噴霧場(chǎng)上形成片光源，相機(jī)鏡頭與片光源位置垂直。

圖3 PIV測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 噴霧試驗(yàn)

2.1 單開(kāi)主油路

調(diào)節(jié)供油控制臺(tái)，只開(kāi)啟主油路，改變主油路壓力，分別在6個(gè)不同壓力下，用PIV對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。圖4是在0.3 MPa壓力下的噴霧場(chǎng)PIV原始圖像和速度矢量圖。

圖4 0.3 MPa壓力下主油路的PIV圖像及處理圖

從圖4a發(fā)現(xiàn)，燃油剛從噴嘴出來(lái)的時(shí)候，形成一層清晰的液膜，由于壓力較小，此時(shí)的液膜切向速度也較小，其速度分量中軸向速度較大，徑向速度較小，之后液膜發(fā)生破碎，產(chǎn)生大小形狀各不相同的、離散的液體大尺度微團(tuán)結(jié)構(gòu)，包括團(tuán)、塊和滴等。由于還沒(méi)有形成噴霧，PIV系統(tǒng)是捕捉不到噴霧粒子的，所以在圖4b圖中，對(duì)應(yīng)位置沒(méi)有速度矢量。之后，液膜在表面張力、粘性力和氣動(dòng)力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式下逐漸破碎成不同尺寸的液滴，這便是燃油的初始霧化過(guò)程。初始霧化形成的液滴在外界氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到氣動(dòng)力和表面張力的作用。表面張力的作用是使液滴抱團(tuán)收縮成球形，而氣動(dòng)力是作用在液滴表面的力，壓迫液滴，促使液滴變形。氣動(dòng)力和表面張力之比稱為韋伯(We)數(shù)，當(dāng)氣液兩相確定時(shí)，韋伯?dāng)?shù)的大小僅與氣液兩相的相對(duì)速度和液滴的直徑有關(guān)，液滴破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)約為12，在試驗(yàn)中，較大的體積和速度會(huì)促使液滴二次破碎的發(fā)生。燃油在初始霧化和二次霧化的共同作用下形成了可以被PIV系統(tǒng)捕捉到的噴霧液滴。

觀察圖4b發(fā)現(xiàn),液滴較多地分布在噴霧錐體的外側(cè)和中心區(qū)域，從而形成雙空心的噴霧錐體。這種結(jié)構(gòu)是由噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和此時(shí)較小的壓力形成的，當(dāng)增大主油路壓力時(shí)，中心區(qū)域的液滴會(huì)逐漸減少，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，整個(gè)噴霧場(chǎng)會(huì)形成空心錐體的結(jié)構(gòu)。

流體力學(xué)中把噴嘴的出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角。使用電腦角度測(cè)量軟件對(duì)PIV原始圖像中的噴霧錐角進(jìn)行測(cè)量，得到6個(gè)不同壓力下的噴霧錐角，如表1所示。

表1 主油路不同壓力下的噴霧錐角

2.2 單開(kāi)副油路

調(diào)節(jié)供油控制臺(tái)，只開(kāi)副油路，在與單開(kāi)主油路試驗(yàn)相同的工況下用PIV對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。得到6個(gè)不同壓力下噴霧場(chǎng)的PIV原始圖像和速度矢量圖，見(jiàn)圖5所示。

圖5 副油路PIV圖像及處理圖

續(xù)圖5副油路PIV圖像及處理圖

使用電腦角度測(cè)量軟件對(duì)PIV原始圖像中的噴霧錐角進(jìn)行測(cè)量，得到單開(kāi)副油路工況下的6個(gè)不同壓力下的噴霧錐角，如表2所示。

表2 副油路不同壓力下的噴霧錐角

在0.3 MPa壓力時(shí)，噴霧場(chǎng)的噴霧錐角很小，只有51.42°，燃油經(jīng)過(guò)噴嘴噴射出來(lái)時(shí)，受到重力的影響較大，所以此時(shí)的速度矢量圖中顯示較多的液滴分布在噴嘴的正下方區(qū)域，且這部分液滴的速度方向也是向下的。增大壓力到0.6 MPa時(shí)，噴霧錐角變大，此時(shí)的液滴開(kāi)始更多地受到切向力的影響，在速度矢量圖中表現(xiàn)出來(lái)的的就是液滴逐漸向外側(cè)區(qū)域分布。繼續(xù)加大壓力到0.9 MPa時(shí)，噴霧錐角繼續(xù)增大，液滴速度開(kāi)始沿噴霧錐體母線的切向分布，并且整個(gè)噴霧場(chǎng)形成空心的結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓力增大到1.2 MPa時(shí)，噴霧錐角已經(jīng)達(dá)到最大值，這個(gè)最大值在82°到83°之間，繼續(xù)加大壓力，不會(huì)影響噴霧錐角的變化，此時(shí)變大的是燃油的流量和霧化液滴的數(shù)目，在一定壓力范圍內(nèi)，壓力越大，流量越大，噴霧場(chǎng)中液滴的數(shù)目也會(huì)相應(yīng)增多。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)工況清晰的描述了噴霧場(chǎng)中空心椎體形成的過(guò)程與原因：噴霧椎體在較大壓力時(shí)，其椎體外圍的速度要明顯大于椎體中心的速度；椎體外圍的液滴霧化良好，并且液滴數(shù)量要大于椎體中心處，從而形成空心椎體的噴霧結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵谳^大壓力時(shí)，切向速度增加，噴嘴內(nèi)部形成空氣心，燃油在噴嘴出口以液膜的形式射出，在射出以后，形成的液滴徑向速度較大，大部分都分布于椎體的外圍，從而導(dǎo)致空心椎體的產(chǎn)生。

2.3 主副油路同開(kāi)

調(diào)節(jié)供油控制臺(tái)，開(kāi)啟主油路，并保持主油路0.3 MPa壓力不變，改變副油路壓力，在6個(gè)不同的副油路壓力下用PIV對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。圖6是主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa壓力下的PIV圖像及處理圖。

圖6 主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa壓力下的PIV圖像及處理圖

從PIV原始圖像上看，圖6與圖4大體上相似，在噴霧錐體外側(cè)都有一層清晰的油膜，噴霧液滴也主要分布在靠近錐體母線的外側(cè)；從處理圖像看，則有較明顯的區(qū)別，圖6中噴霧場(chǎng)中心的液滴速度明顯要大于圖4中相同位置的液滴速度，并且其液滴速度方向逐漸向平行噴霧錐體母線的方向靠近，這是由于副油路壓力的影響，繼續(xù)加大壓力，噴霧場(chǎng)會(huì)逐漸形成空心錐體的結(jié)構(gòu)。

使用電腦角度測(cè)量軟件對(duì)噴霧錐角進(jìn)行測(cè)量，得到主油路0.3MPa，副油路在6個(gè)不同壓力下的噴霧錐角，如表3所示。

表3 主副油路同開(kāi)不同壓力下的噴霧錐角

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合上述3個(gè)試驗(yàn)工況，當(dāng)噴嘴壓力很小時(shí)，由于主要受到重力的影響，噴霧液滴大多分布在噴嘴的正下方，并且噴霧錐角也較小。隨著壓力的逐漸增大，噴霧錐角變大，一部分噴霧液滴分布在噴霧錐體母線區(qū)域，另一部分噴霧液滴分布在噴嘴下方，這部分液滴的速度隨著壓力的變大而逐漸增大，其速度方向也逐漸向著噴霧錐體母線方向靠攏。當(dāng)壓力增大到一定程度以后，噴霧場(chǎng)形成空心錐體的噴霧結(jié)構(gòu)，液滴絕大部分分布在椎體外側(cè)。之后繼續(xù)增大壓力，噴霧錐角不再繼續(xù)變大，噴霧液滴的速度也不再變化，變化的只有噴霧場(chǎng)的流量和噴霧液滴的密度。

圖7為噴嘴在主副油路單獨(dú)工作及主副油路同時(shí)工作時(shí)，噴霧錐角隨壓力的變化曲線。

圖7 噴霧錐角變化曲線

從圖7中可以看出，在供油壓力達(dá)到一定的范圍之后，繼續(xù)增大壓力不會(huì)改變噴霧錐角的大小，故可認(rèn)為，對(duì)于壓力霧化噴嘴來(lái)說(shuō)，在噴霧場(chǎng)穩(wěn)定以后，噴霧錐角與供油壓力的變化無(wú)關(guān)，只與噴嘴的幾何特征尺寸有關(guān)。

單開(kāi)主油路時(shí)噴霧錐角明顯大于單開(kāi)副油路時(shí)，大了約11°～12°，這是由噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，副油路噴口位于噴嘴中心，而主油路噴嘴在噴嘴的外圈，這也解釋了主油路在較小壓力時(shí)噴霧錐角就達(dá)到較大的穩(wěn)定值，而副油路的噴霧錐角在較小壓力時(shí)很小，隨著壓力的逐漸變大而逐漸增大，到一定壓力范圍之后才會(huì)不隨壓力的變化而改變。

4 結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)雙油路壓力霧化噴嘴在不同的壓力情況下的噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)論如下：

(1)燃油最先在噴嘴中形成的是液膜，在離開(kāi)噴嘴之后，液膜在表面張力、慣性力和氣動(dòng)力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式逐漸破碎成不同尺寸的液滴，這些液滴在外界空氣的作用下會(huì)經(jīng)過(guò)二次霧化形成更小的液滴或者與其他液滴相互聚合形成較大的液滴；

(2)在一定壓力范圍內(nèi)，噴霧錐角的大小不隨供油壓力的變化而變化，只與噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)；

(3)在同樣的壓力下，單開(kāi)主油路時(shí)的噴霧錐角略大于主副油路同開(kāi)時(shí)的噴霧錐角約3°～4°，大于單開(kāi)副油路時(shí)的噴霧錐角約11°～12°。這種情況是由噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的，雙油路壓力霧化噴嘴的主油路噴口在外圈，副油路噴口位于噴嘴中心。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

ExperimentalstudyonsprayfieldbasedonPIVtechnology

SHEN Li-xin,WANG Cheng-jun,ZHANG Zhong-fei,YU Lei,LIU Ai-guo

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

For a WP7 fuel nozzle,the spray field caused by a duplex-oil circuit pressure atomizing nozzle was measured using the Particle Image Velocimetry(PIV),a non-contact laser measurement technique.Pictures of spray field and velocity vector were obtained under different oil circuit and oil pressure.The test images show that the atomization is a complex process from liquid film to liquid droplets,and then second aryatomization or re-polymerization.The spray cone angle is not related toa certain pressure.The spray cone angle is different using different oil circuit,largely dependent on the geometry of nozzle.

PIV;duplex-oilcircuit;pressure atomizing nozzle;spray cone angle;velocity distribution;liquid film

2017-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51476106)；遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2015020639)

申力鑫(1989-)，男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向:航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail：365262082@qq.com；王成軍(1967-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail：wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)04-0027-07

V231.2

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.003