竇彥超, 楊 敏, 陳敏敏, 馬 柱, 姚慕偉, 何 樂

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002)

燃油噴嘴噴霧分布不均勻度是指距離噴嘴口一定距離垂直于噴霧軸向方向某一截面的燃油流量或者液滴表面積濃度的空間分布?？臻g分布的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的燃燒效率和污染排放。噴嘴噴霧空間分布一般采用周向分布不均勻度和徑向分布不均勻度來表示[1-4]。

噴嘴分布不均勻度的測量方法主要有兩種,一種是傳統(tǒng)的機械式,另一種是激光式。傳統(tǒng)機械式的檢測手段是累積流量收集法,即采用小型容器收集燃油并通過稱重法獲得分布數(shù)據(jù)[5-6]。機械式測量方法測量時噴霧撞擊到收集器壁面會產(chǎn)生停滯層,屬于侵入式測量,這在很大程度上會破壞原有的噴霧場結構[7]。在進行徑向分布測量實驗時燃油噴霧與收集器壁面接觸面積比周向分布大,因此受到影響更大。而無論是周向還是徑向分布的測量,想要提高空間分辨率只能增加扇區(qū)數(shù)量或者環(huán)數(shù),但這樣又會增加噴霧與收集器的接觸面積,從而增加了對噴霧場的干擾。因此,受限于本身測量原理的影響,機械式分布器的空間分辨率提升空間非常有限。

隨著光學測試技術的發(fā)展,出現(xiàn)了測量燃油噴嘴噴霧分布的非介入式激光診斷技術[8-11],常見的有平面激光散射方法(Planar Laser Scattering,PLS)、激光誘導熒光技術(Planar Laser Induce Fluorescence,PLIF)[12]、相位多普勒粒子分析儀(Phase Doppler Particle Analyzer,PDPA)等,但這幾種方法都存在各自的問題。PLS方法在粒徑小于50 μm的局部區(qū)域,散射信號的強度大于實際的燃油質(zhì)量分布,因此粒徑小于50 μm的局部區(qū)域,PLS方法測量的燃油流量分布偏大;PLIF法容易受二次發(fā)射多重散射效應的影響,只適用于測量噴霧比較稀疏的油霧場;PDPA的單點測量精度較高,但單點實驗效率低,獲得一個剖面的分布信息需要進行上百次的測量,工作量極大,而且無法得到二維的瞬態(tài)結果。同時以上幾種方法都不具備測量高濃度噴霧場的能力。

本文所采用的消光斷層法激光式分布器(Statistical Extinction Tomography Scan Optical Patternator,SETscan)是基于激光消光斷層技術發(fā)展出的新型分布器,該型分布器應用6個激光發(fā)射器產(chǎn)生的片狀激光對噴霧區(qū)域進行檢測,由于片光源本身產(chǎn)生的散射光較小,同時激光陣列探測器上裝有限制散射光到達檢測器的消除裝置,激光片光照射到噴霧上產(chǎn)生的散射光信號強度與激光片光源的信號強度相比通?？梢院雎圆挥媅13],因此激光消光斷層技術相比PLIF,不容易受二次發(fā)射多重散射效應的影響。此外,激光消光斷層技術測量噴霧燃油空間分布具有快速、準確及可操作性強等優(yōu)點,主要局限性在于空間分辨率要比應用激光片光攝影技術的分布器略低,但仍遠高于機械式的分辨率。盡管存在這些限制,SETscan作為一個高效、精細的噴嘴測量工具還是獲得了廣泛的認可,這主要得益于其便捷性以及能夠辨別不同噴霧之間微小差距的能力。此外,對于流量較小的噴嘴,SETscan相比于機械式能顯著地提高實驗效率。

本文采用SETscan對單油路離心噴嘴噴霧場進行了測量,獲得了不同工況條件下燃油噴嘴噴霧場的空間分布信息,同時從實驗效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性等多個方面對SETscan進行了試驗應用驗證。

1 實驗設備及原理

1.1 實驗系統(tǒng)

激光式分布不均度測量系統(tǒng)示意圖如圖1 所示,系統(tǒng)主要由供油系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、測試計算機和SETscan等組成。

圖1 激光式分布不均勻度測量系統(tǒng)示意圖

由于單油路離心式霧化噴嘴噴霧相對穩(wěn)定,采用機械式分布器對其噴霧濃度進行測量時產(chǎn)生的誤差較小(相比于空氣霧化式噴嘴),實驗測試對象選取了兩件標準的單油路離心霧化噴嘴,噴口直徑為0.38 mm,流量范圍為6.36～18.36 kg/s(燃油壓力0.5～4.5 MPa時),選取的兩件噴嘴在燃油壓力為 3.0 MPa時噴霧錐角只有50°左右,在采用激光式分布器測量時可以在噴霧中心區(qū)域產(chǎn)生較大的消光值來驗證分布器對于高濃度噴霧的測量能力,同時為了驗證分布器對不同噴霧狀態(tài)的測量能力,選取的兩件噴嘴的噴霧狀態(tài)有較大差別,圖2為燃油壓力4.5 MPa時兩件噴嘴的噴霧照片,從圖2中可以看出,1#噴霧圖片(圖2(a))亮度分布均勻,測量平面沒有明顯的噴霧缺陷,而2#噴霧圖片(圖2(b))上有明暗相間的條紋,說明存在明顯的霧化不充分以及燃油聚集現(xiàn)象,實驗介質(zhì)為RP-3航空煤油。

1.2 測試原理

SETscan主要由6路激光發(fā)射器和6個消光陣列探測器組成,激光器采用激光能量為5 mW固體激光器,波長655 nm,頻率范圍為1 000～9 600 Hz,激光器與陣列探測器布置方式如圖3所示,相鄰兩個激光器夾角為30°,從6個軸向方向?qū)婌F區(qū)域進行測量。圖4為單束激光測量原理示意圖,激光發(fā)射器發(fā)射出的激光通過準直棱鏡變換成512束平行的激光線陣,消光陣列探測器接收激光通過噴霧測量平面后的消光信號并通過數(shù)據(jù)線將信號輸出到NI6133采集卡,計算機上的軟件通過對采集到的消光信號進行分析計算最后得到測量平面內(nèi)的噴霧濃度分布信息。6個軸向的激光組合成直徑約為254 mm 的6×512個網(wǎng)格激光測量面,角度分辨率最高可達7°,空間分辨率最高為1.7 mm。

圖3 SETscan激光平面布置圖

圖4 SETscan測量原理示意圖

SETscan測量噴嘴噴霧分布的理論方法由兩部分組成,第一部分是其通過局部消光系數(shù)來估算液滴特性所采用的理論方法;第二部分是SETscan對噴霧測量截面進行網(wǎng)格劃分,再通過MLE去卷積方法將測量的路徑積分透射比還原為局部消光系數(shù)。

對于直徑較大的液滴,一般指πD/λ>5(D為液滴直徑,λ為入射激光波長)。根據(jù)朗伯比爾定律(Lambert-Beer Law),此時噴霧單位體積內(nèi)的液滴表面積與消光系數(shù)相等,而對于大多數(shù)噴霧來說,液滴直徑都遠大于1 μm。因此,只要求出消光系數(shù)即可得到噴霧單位體積內(nèi)的液滴表面積。根據(jù)米散射理論,此時單個粒子的散射橫截面面積為

(1)

激光穿過噴霧激光透射比為

(2)

激光穿過整條路徑中的一段Δ時的透射比為

(3)

式中:N(D)dD為在D到D+dD范圍內(nèi)每單位體積內(nèi)的粒子數(shù)量。對于一個包含多個噴霧粒子的粒子團,消光系數(shù)的定義為

(4)

將式(4)代入式(3),即可得出激光穿過距離為Δ的噴霧時激光透射比與消光系數(shù)的關系。

(5)

第二部分為SETscan通過MLE去卷積方法將測量的路徑積分透射比還原為局部消光系數(shù),從而得到噴霧濃度分布信息。

為了清晰地解釋原理,假設每個軸向激光只有8個平行路徑(實際共有512個),軸1方向激光的8個路徑積分透射比在圖5中用T1～T8表示。測量區(qū)域在徑向方向被劃分為3個環(huán)形部分,最外環(huán)被分成了24個區(qū),中間的環(huán)形被分成12個區(qū),最內(nèi)環(huán)只有1個區(qū)域且不再進行劃分。因此,噴霧區(qū)域被劃分成大小相對均勻的37個區(qū)域。

圖5 噴霧測量平面網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)式(5),對圖5中軸1方向的瞬時路徑積分,透射比與局部消光系數(shù)的關系可以表示為

(6)

(7)

由于式(7)是線性的,對其中每一項進行平均,可以得到時間平均路徑積分透射比與局部消光系數(shù)的關系為

(8)

本次實驗噴霧測量區(qū)域劃分方式如圖6所示。在徑向方向上劃分為32個環(huán)形,不同的環(huán)形區(qū)域在周向上根據(jù)環(huán)形半徑的大小分為不同的測量區(qū),最后得到如圖6所示的2 185個大小相對均勻的網(wǎng)格狀計算區(qū)域。SETscan通過建立3 072(6×512)個線性方程求解出每個區(qū)域的消光系數(shù),進而獲得整個平面內(nèi)的噴霧濃度分布信息。

圖6 實際噴霧測量平面網(wǎng)格劃分圖

機械式測量系統(tǒng)與激光式采用了同一套燃油系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng),分布器是航空航天采用的標準的12個扇區(qū)的機械式分布器,分布器實物圖如圖7所示。機械式分布器由12片鋼片組成,鋼片邊緣經(jīng)過銳化處理用于減少對噴霧結構的影響,分布器底部用柔性軟管連接12個燃油收集器,每個收集器底部分別安裝一個精度為±0.01%(滿量程時)的電子稱,用于計算每個扇區(qū)在一定時間內(nèi)收集到的燃油質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取每個電子秤的讀數(shù),然后計算出在設定工況條件下的噴霧周向分布不均勻度指數(shù)為

圖7 機械式分布器實物圖

(9)

式中:δ為周向分布不均勻度指數(shù);Wmax為燃油噴嘴各扇區(qū)濃度占比最大值;Wmin為燃油噴嘴各扇區(qū)濃度占比最小值。

2 實驗結果分析

實驗首先采用SETscan對1#噴嘴進行了測量,測量截面為距離噴嘴噴口50 mm的剖面,燃油壓力為3.0 MPa,測量時間設定為12 s,測量頻率為1 000 Hz。激光分布器在6個軸向上分別采集噴霧的平均消光值,如圖8所示。從軸向1(黑色曲線)的消光曲線上可以看到,最大平均消光系數(shù)達到了0.933,此外,當消光系數(shù)大于0.1時,消光曲線開始趨于穩(wěn)定平滑,軸向1方向的噴霧直徑約為50.6 mm,這說明90%的燃油都分布在直徑約為50.6 mm的圓形范圍內(nèi)。

圖8 1#噴嘴平均消光系數(shù)圖

SETscan以消光數(shù)據(jù)為基礎,通過卷積的方法得出與消光狀態(tài)對應的單位體積內(nèi)液滴表面積濃度云圖,如圖9所示,從圖9中可以清晰地看出測量剖面的噴霧濃度分布結構,圖9中右下角的邊緣位置有明顯的不規(guī)則突起,整體呈不規(guī)則的圓形,從實驗過程中發(fā)現(xiàn)這是抽氣系統(tǒng)以及噴霧本身不穩(wěn)定共同作用的結果?？傮w來看,1#噴嘴燃油濃度從噴霧中心到噴霧邊緣呈層狀結構,濃度逐漸減少,分布較為均勻。結合圖8可以看出,SETscan能夠?qū)す庹趽趼蕿?0%～90%的燃油噴霧得出合理有效的濃度分布實驗結果。

圖9 1#噴嘴單位體積內(nèi)液滴表面積濃度云圖

實驗選用2#噴嘴分別進行激光式以及機械式分布不均勻度實驗,并將實驗結果進行對比。圖10為6束激光照射下的噴霧照片,顯示了噴霧邊緣呈不規(guī)則的形狀,噴霧亮度代表了噴霧分布均勻程度,亮度越高濃度越大,反之越小。從圖10中可以看出,噴霧圖片亮度分布不均勻,明暗對比較為明顯。

圖10 2#噴嘴在激光照亮下的噴霧照片

圖11為2#噴嘴噴霧照片對應的單位體積內(nèi)液滴表面積濃度云圖。從圖11中可以看出2#噴嘴的燃油分布情況,相比于1#噴嘴明顯的層狀結構,2#噴嘴存在約5個燃油聚集點(圖11中紅色部分),噴霧中心區(qū)域燃油分布形狀不規(guī)則,與圖10的噴霧照片對比可以發(fā)現(xiàn)噴霧照片顯示的是圖11中噴霧核心區(qū)域,即顏色為紅色的部分,而圖11中邊緣的藍色區(qū)域并沒有在噴霧圖片中體現(xiàn)出來,說明SETscan具有識別并分析稀薄噴霧的能力。

圖11 2#噴嘴單位體積內(nèi)液滴表面積濃度云圖

將兩張云圖中橫坐標X=0 mm的數(shù)據(jù)提取出來繪制出中心線上的單位體積內(nèi)液滴表面積數(shù)據(jù),如圖12所示。由圖12可知,2#噴嘴在中心線上的液滴表面積峰值比1#噴嘴高約8.5%,同時可以觀察到兩條曲線寬度存在較大差別,以縱坐標表面積濃度為0.015的數(shù)據(jù)為例,2#噴嘴比1#噴嘴寬度減少20%左右。從整體看,1#噴嘴基本呈左右對稱形狀,而經(jīng)過計算2#噴嘴右側表面積數(shù)值相比左側高出約12%,而1#噴嘴左右相差不到2%。

圖12 兩個噴嘴單位體積內(nèi)液滴表面積對比圖

此外,單位體積內(nèi)液滴表面積濃度數(shù)據(jù)還可以用來估算噴嘴的噴霧錐角,通過對噴霧中心線上的液滴表面積進行積分,得出距離噴嘴出口50 mm處1#和2#噴嘴的噴霧錐角分別為53.4°和51.8°。

為了進一步驗證SETscan的測量結果,對2#噴嘴采用激光式和機械式兩種分布器測量的實驗數(shù)據(jù)進行了對比。激光式分布器和機械式分布器測量的數(shù)據(jù)不同,SETscan測量的數(shù)據(jù)為單位體積內(nèi)的表面積濃度,而機械式測量的是燃油流量。為了進行數(shù)據(jù)比對,將兩種方法測量的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成百分比,即機械式為各個扇區(qū)燃油流量占總流量的比值,激光式為各個扇區(qū)表面積濃度占總濃度的比值。

對比實驗分別選取了兩個實驗工況進行結果比對,流量分別為6.39 kg/s(0.5 MPa)和15.15 kg/s(3.0 MPa),機械式分布器采用量程為6 000 g、分度值0.6 g的電子稱保證測量精度,流量為15.15 kg/s時設定收集時間為3 min,流量為6.39 kg/s時設定收集時間為7 min,經(jīng)統(tǒng)計在燃油壓力為3.0 MPa時收集器收集到的燃油約為噴嘴流量的95%(質(zhì)量流量計測量值),說明流經(jīng)噴嘴的大部分燃油都被機械式分布器所收集。SETscan測量時間設定為12 s,測量頻率為1 000 Hz,測量結果為12 s的平均穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。為了驗證設備的穩(wěn)定性,分別用兩種測量方法對每個工況均進行5次實驗。

實驗時通過固定噴嘴的測量位置保證機械式與SETscan測量的每個扇區(qū)的數(shù)據(jù)一一對應,對于一個完全軸對稱的噴霧分布,無論是激光式還是機械式分布器測量出的數(shù)據(jù)在每個扇區(qū)的占比應為8.33%,圖13為兩種工況下機械式分布器測量的每個扇區(qū)的燃油流量占比以及激光式分布器測得的表面積濃度占比。

圖13 機械式分布器與激光式分布器測量數(shù)據(jù)對比圖

從圖13中可以看出,SETscan測量的數(shù)據(jù)和機械式數(shù)據(jù)在兩種工況下都展現(xiàn)出了較高的重合度,2#噴嘴較差的分布狀態(tài)在兩種測量方法下均被展現(xiàn)出來。但在第5～7扇區(qū),兩種測量方法的數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)了相反的趨勢。產(chǎn)生不一致的原因主要有以下兩個方面:首先是測量原理導致的,機械式為侵入式測量,測量過程中會對固有的噴霧場產(chǎn)生干擾,而激光式不存在上述問題,2號噴嘴噴霧狀態(tài)較差,噴霧本身存在大量的燃油聚集點,圖10和圖11中均有清晰的體現(xiàn),當燃油聚集點噴射到機械式分布器的鋼片上時會對測量結果產(chǎn)生影響,這是兩種測量方式數(shù)據(jù)有差異的最主要原因;其次是實驗誤差的影響,例如噴嘴安裝定位問題,雖然實驗時已經(jīng)盡量保證噴嘴的安裝位置保持兩種測量方位一致,但考慮到噴嘴需要在兩個實驗臺位進行移動難免會產(chǎn)生位置的輕微變動,這也從側面說明機械式測量方法會受到噴嘴安裝位置的影響。盡管存在以上問題,兩種測量方法得出的數(shù)據(jù)趨勢是基本一致的。

接下來,對兩種測試方法的穩(wěn)定性進行了分析,提取出5次實驗數(shù)據(jù)對應的各扇區(qū)所占的百分比數(shù)據(jù),然后分別對每個扇區(qū)的5次實驗數(shù)據(jù)求標準方差。圖14與圖15分別為機械式和激光式分布器各扇區(qū)數(shù)據(jù)的標準方差。

圖14 機械式分布器各個扇區(qū)數(shù)據(jù)標準方差

圖15 激光式分布器各個扇區(qū)數(shù)據(jù)標準方差

從總體上可以看出,激光式測量的數(shù)據(jù)曲線相比于機械式更加平滑,各扇區(qū)的數(shù)據(jù)相對于平均值的離散程度在一個相對穩(wěn)定的范圍之內(nèi),說明各個扇區(qū)的波動值差別不大,反觀機械式數(shù)據(jù)波動范圍較大,其中在燃油壓差為0.5 MPa時,機械式最大波動值為0.21,而激光式僅為0.11。尤其是在第五扇區(qū)附近的數(shù)據(jù)相對于其他扇區(qū)的波動偏大,這是機械式測量本身的局限性與噴嘴噴霧狀態(tài)共同作用的結果。從數(shù)值上看,激光式在兩種工況下的波動值都比機械式小,還可以看出隨著燃油流量的增大,兩種測量方法的波動值都有下降的趨勢,因為噴嘴的流量偏小時燃油噴霧更容易受到抽氣系統(tǒng)影響,從而影響測量結果。

在以上實驗的基礎上對2#噴嘴分別用兩種測量方法進行了濃度分布不均勻度測量實驗,除了前面完成的2個狀態(tài)點外又額外增加了3個工況點,分別是1.5 MPa、2.0 MPa和4.5 MPa,每個工況點采用兩種方法各進行5次實驗,取平均數(shù)作為最后的實驗結果,如圖16所示。

圖16 分布不均勻度指數(shù)隨壓力變化

由圖16可以看出,在噴嘴流量較小時兩種測量方法計算出的結果偏差較大,當燃油壓力為0.5 MPa時,機械式測量值為29.6%,激光測量的結果僅為15.6%,機械式測量值是激光式的1.9倍。而隨著燃油壓力的增加,兩者之間的差距不斷縮小,當燃油壓力達到4.5 MPa時,機械式測量值為38.5%,激光式為31.5%,機械式的測量值僅為激光式的1.2倍,這是因為燃油壓力較低時噴霧狀態(tài)不夠穩(wěn)定更容易受到抽氣系統(tǒng)的影響,此外還能夠看到兩種測量方法測量的不均勻度都隨著燃油壓力的增加而增大,激光式測量的數(shù)據(jù)燃油壓力從0.5 MPa增加到4.5 MPa時不均勻度增加了一倍,說明2#噴嘴隨著壓力的增加燃油聚集更加明顯從而導致不均勻度指數(shù)不斷增大,但也可以看到增加的趨勢有所下降。

相比于機械式測量方法,激光式測量受到噴霧本身特性的影響較小,無論是流量大小或者噴霧狀態(tài)等,機械式測量本身為侵入式的局限性以及相對較低的時間分辨率都對它本身的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。

3 結論

采用SETscan對離心式噴嘴在不同燃油工況條件下開展燃油噴嘴霧化性能實驗,并與傳統(tǒng)機械式測量方法進行了對比,得出以下結論。

① 激光式分布器適用范圍廣,能夠?qū)す庹趽趼蕿?0%～90%的燃油噴霧得出較為合理的濃度分布實驗結果。由于激光式為非接觸式測量,在測量過程中不會受到噴霧特性本身的影響,而機械式會受到噴霧質(zhì)量以及測量時的安裝位置等因素的影響,而且在使用流量偏小的噴嘴時會產(chǎn)生較大的誤差。

② 激光式測量方法實驗效率更高,機械式測量方法需要根據(jù)燃油噴嘴的流量對測量時間進行調(diào)整以保證測量精度,而激光式測量方法測量頻率為1 000 Hz,僅需10 s左右就能得到1萬個瞬態(tài)數(shù)據(jù),且不需要根據(jù)噴嘴流量等因素進行調(diào)整。

③ 激光式測量與機械式測量相比獲得的實驗數(shù)據(jù)更加直觀,數(shù)據(jù)類型包括云圖、噴霧錐角和分布不均勻度等,相比傳統(tǒng)的測量方法,激光式測量能夠從多個角度檢驗噴嘴的噴霧質(zhì)量。