王錚昊，王 謙，何志霞，吳玉強(qiáng)

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

高壓噴射的燃油經(jīng)過一系列破碎霧化過程變?yōu)槲⑿〕叨纫旱?，增加了燃油與空氣的作用面積，從而促進(jìn)燃油的快速蒸發(fā)并在短時(shí)間內(nèi)形成可燃混合氣。液滴的破碎、霧化、噴霧錐角、粒徑大小、粒徑分布、噴霧貫穿距等噴霧特性影響著燃燒室內(nèi)混合氣形成，進(jìn)而影響柴油機(jī)的性能。因此，深入理解霧化機(jī)理對(duì)研究柴油機(jī)設(shè)計(jì)、燃燒和排放控制十分重要。

迄今國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量的射流霧化模型。首先，燃油噴霧場(chǎng)可分為稠密區(qū)和稀薄區(qū)［1］。稠密區(qū)是指近噴孔區(qū)（一般距噴孔4mm范圍內(nèi)）的噴霧場(chǎng)，該區(qū)域內(nèi)的液滴間距很小，液滴間相互作用不能被忽略。由于稠密區(qū)內(nèi)未擾液核被外圍液滴所包圍，目前基于光學(xué)原理的試驗(yàn)無法獲得其詳細(xì)結(jié)構(gòu)，但是未擾液核結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到射流初始表面波結(jié)構(gòu)及其增長(zhǎng)特性。射流離開噴孔后就存在黏著力和破碎力的競(jìng)爭(zhēng)，由黏著力和分裂力競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)發(fā)生增長(zhǎng)并最終導(dǎo)致液體射流發(fā)生分裂霧化，這一過程被稱為初次霧化。初次霧化形成的液滴會(huì)進(jìn)一步破碎成更小的液滴，這一過程稱為二次霧化。研究指出，近噴孔區(qū)初次霧化特性將決定噴霧下游霧化程度［2］。文獻(xiàn)［3］指出，油束初次破碎受到噴孔內(nèi)流特性的影響，諸如湍流強(qiáng)度、空穴和速度場(chǎng)。文獻(xiàn)［4］在此基礎(chǔ)上提出湍流擾動(dòng)、空氣動(dòng)力和噴孔內(nèi)部的空化現(xiàn)象是造成高壓柴油噴射初次破碎的3個(gè)基本因素。

文獻(xiàn)［5］利用長(zhǎng)焦顯微技術(shù)對(duì)油束不同區(qū)域外圍液滴大小及分布進(jìn)行了拍攝。結(jié)果表明，近噴孔區(qū)域燃油主要以稠密帶狀液絲形態(tài)存在。試驗(yàn)獲得了噴束表面波結(jié)構(gòu)，但無法獲得被稠密液滴包圍的未擾液核的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［6］利用高亮度X射線技術(shù)對(duì)單孔噴油器近噴孔區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨壓力升高近噴孔區(qū)油束有從層流到湍流的發(fā)展過程，并且隨著噴射壓力增大，層流區(qū)域逐漸減小直至無法識(shí)別。但是此試驗(yàn)并沒有闡明噴油壓力對(duì)噴霧場(chǎng)粒子濃度的影響。

近幾年激光診斷技術(shù)已成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結(jié)構(gòu)的重要工具［7］。由于傳統(tǒng)光源配合高速數(shù)碼相機(jī)無法獲得近噴孔區(qū)清晰的微觀噴霧場(chǎng)圖像，因此為了解霧化機(jī)理，探究噴霧表面波的產(chǎn)生機(jī)理及增長(zhǎng)特性，本研究將現(xiàn)代激光診斷技術(shù)應(yīng)用到噴霧場(chǎng)微觀試驗(yàn)中來，用Matlab圖像處理工具對(duì)微觀噴霧場(chǎng)圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理［8］，獲得了清晰的近噴孔區(qū)表面波輪廓曲線，研究了噴霧表面波及近噴孔區(qū)織狀油滴［6］的形成和發(fā)展及其對(duì)初次霧化的影響，結(jié)合背光法拍攝，研究了共軌噴射壓力對(duì)燃油噴霧粒子濃度及近噴孔射流邊界層的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將現(xiàn)代激光診斷技術(shù)應(yīng)用到微觀噴霧場(chǎng)可視化試驗(yàn)中，利用PIV激光脈沖光源配合顯微鏡頭和高速CCD相機(jī)來研究近噴孔區(qū)域柴油霧化特性和表面波發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)備主要由高壓共軌柴油噴射系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及圖像采集系統(tǒng)組成。本次試驗(yàn)通過開展對(duì)無蒸發(fā)柴油近噴孔區(qū)域自由噴霧特性的觀測(cè)來探究初次霧化機(jī)理。采用YAG激光直接照射法和背光法兩種高射攝影拍攝方案，相互補(bǔ)充來研究燃油初次破碎過程。

PIV技術(shù)作為瞬態(tài)速度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)將油滴視作示蹤粒子，結(jié)合PIV激光脈沖光源，利用示蹤粒子對(duì)光的散射作用，從而獲得瞬時(shí)近噴孔區(qū)微觀噴霧場(chǎng)。由文獻(xiàn)［7］可知，高速相機(jī)捕捉到的圖像明暗強(qiáng)度可以反映粒子分布的密度和均勻性。

本試驗(yàn)的燃油供給采用先進(jìn)的高壓共軌系統(tǒng)，其中，高壓油泵可提供0～180MPa的噴射壓力，電控噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噴油壓力的精確控制，降低了壓力波動(dòng)對(duì)燃油霧化過程的影響。通過控制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以及顯示器直觀顯示來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射頻率、噴射壓力的控制。試驗(yàn)選用單孔VCO噴油器作為噴霧研究的對(duì)象，噴孔直徑0.2mm。

激光直接照射法的光學(xué)系統(tǒng)見圖1，主要包括雙YAG激光器、長(zhǎng)焦顯微鏡頭、高速CCD相機(jī)以及同步器。首先調(diào)整雙YAG激光器為單幀，頻率3Hz，波長(zhǎng)532nm，單脈沖能量120mJ，脈沖持續(xù)期5ns，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧場(chǎng)的“凍結(jié)”，片光厚度3mm，用導(dǎo)光臂輸出片光直接照射噴霧場(chǎng)。采用奧林巴斯i－speed3高速相機(jī)拍攝，2 000幀／s時(shí)可以得到1 280×1 024像素的高質(zhì)量圖片，最高幀速率為150 000幀／s，快門響應(yīng)時(shí)間最快為1μs。背光法則是將YAG激光器換為高能白光光源。采用的顯微鏡頭可將近噴孔區(qū)域放大7～12倍，放大后在背光條件下的噴嘴頭部見圖2。

圖像采集系統(tǒng)主要由同步器和圖像處理單元組成。同步器可以實(shí)現(xiàn)將激光器脈沖信號(hào)和噴油器針閥信號(hào)同步，并通過曝光延遲控制，可以得到200～2 000μs不同時(shí)刻的近噴孔區(qū)域的噴霧場(chǎng)形態(tài)。

試驗(yàn)是在25℃及0.1MPa條件下進(jìn)行，研究無蒸發(fā)燃油霧化特性，得到了不同噴油時(shí)刻和噴油壓力下的近噴孔區(qū)微觀表面波形態(tài)及其發(fā)展過程。通過背光法比較不同噴油壓力下的噴霧過程，分析了不同壓力對(duì)連續(xù)未擾液核區(qū)及近噴孔區(qū)液柱邊界層的影響，進(jìn)而探究表面波形成及初次霧化機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 單束噴霧近噴孔微觀噴霧特性

為了從時(shí)間和空間尺度上分析不同噴油壓力、同一油束不同位置以及不同噴油時(shí)刻的近噴孔射流表面波形成發(fā)展過程，并探究液滴破碎機(jī)理和液滴濃度分布變化的影響因素，首先對(duì)單束噴霧近噴孔區(qū)域進(jìn)行了分析。

圖3示出由激光法拍攝的噴油壓力50MPa下，啟噴200μs時(shí)的瞬時(shí)噴霧場(chǎng)圖像。圖示為近噴孔1.5mm區(qū)域內(nèi)的微觀噴霧場(chǎng)，可以看出燃油由噴孔噴出后，并未直接霧化成細(xì)小的顆粒，而是主要以稠密液絲形態(tài)存在。從圖中標(biāo)注區(qū)域的噴霧形態(tài)可以看出，氣液界面處發(fā)生了大尺度的卷吸作用，最初液絲較小，后逐漸發(fā)展成長(zhǎng)短不規(guī)律的液絲并與射流表面分離，文獻(xiàn)［6］將之稱為織狀物。這是由于高速射流噴出噴孔后與周圍氣體發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，后噴出來的燃油相對(duì)于之前噴出的燃油具有更高的速度，所以會(huì)撞擊之前噴出的燃油而匯聚成較大的燃油團(tuán)，由于邊界燃油微團(tuán)的速度可以分解為軸向和徑向，又加之受到周圍空氣的剪切作用，故微團(tuán)會(huì)被推至油束外圍并被拉長(zhǎng)，受到空氣的卷吸作用就會(huì)形成這種織狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)微團(tuán)被拉成液絲，油束與周圍空氣的作用面積大大增加，當(dāng)液絲增長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后會(huì)斷裂成許多細(xì)小微團(tuán)，從而促進(jìn)霧化。

由圖3還可以看出，當(dāng)壓力為50MPa時(shí)，油束出噴孔后，邊緣雖然已經(jīng)部分霧化成油滴，但可以明顯看出中心較暗區(qū)域?yàn)槲磾_液核，這是因?yàn)榱Ｗ訉?duì)光的衍射率較高，而中心區(qū)域還未霧化故較暗。雖然燃油噴出噴孔后就發(fā)生了部分霧化，但是并沒有形成表面波，從箭頭指向大約一倍于噴孔直徑的地方開始，噴束表面有微小波動(dòng)產(chǎn)生。而在距離噴孔出口大約3倍噴孔直徑的地方開始，基本就觀察不到明顯的液絲，說明此時(shí)液絲已經(jīng)基本耗散。由于視場(chǎng)范圍和YAG激光器響應(yīng)延遲的局限性，此時(shí)噴油油束頭部迎風(fēng)面已經(jīng)超出視場(chǎng)范圍，故無法觀察到迎風(fēng)面表面波。圖4示出噴油壓力50MPa時(shí)，噴油1 000μs后同一區(qū)域的微觀噴霧場(chǎng)?？梢钥闯觯?dāng)噴霧發(fā)展到中期時(shí)，織狀液絲已經(jīng)基本觀察不到。由于噴霧發(fā)展到中期，被已霧化液滴包裹的未擾液核也很難分辨清楚。

2.2 不同噴射壓力下微觀噴霧場(chǎng)對(duì)比分析

圖5示出噴油200μs后，不同噴射壓力下的微觀噴霧場(chǎng)對(duì)比。可以明顯觀察到噴油壓力為5MPa時(shí)噴霧霧化程度很差，半透明的液柱區(qū)持續(xù)距離較長(zhǎng)，并且從距離噴孔出口5倍噴孔直徑處才有液滴脫離射流體表面。壓力升高至15MPa后，雖然發(fā)生了油滴的破碎和霧化，但可以發(fā)現(xiàn)液滴分布非常不均勻，霧化效果不理想。對(duì)比噴油壓力15MPa和80MPa的油束可以發(fā)現(xiàn)，80MPa時(shí)未擾液核區(qū)很難辨認(rèn)，說明壓力增大導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增大進(jìn)而減小未擾液核長(zhǎng)度，出噴孔后油束立即發(fā)生了較為良好的霧化。對(duì)比50MPa和80MPa的油束還可以發(fā)現(xiàn)，80MPa時(shí)光強(qiáng)分布更均勻，而光強(qiáng)分布與液滴分布是成正比的，因此可以說明液滴分布更加細(xì)膩和均勻，可以證明80MPa的霧化程度較好，同時(shí)也證明了噴油壓力是決定霧化程度的重要因素之一。

圖6示出噴油壓力10MPa時(shí)的微觀噴霧發(fā)展圖像。由圖可以看出，噴霧發(fā)展初期可以觀察到清晰的半透明液核，并且近噴孔射流初始液柱邊界層也較為清晰，沒有明顯的擾動(dòng)。隨著噴霧的進(jìn)行，噴孔內(nèi)空穴逐漸形成和發(fā)展，對(duì)近噴孔噴霧特性產(chǎn)生影響，由清晰液核變?yōu)槟：褐⑶页跏紨_動(dòng)的發(fā)生也提前了。這與文獻(xiàn)［9］用X射線拍攝的液核變化趨勢(shì)相符。

圖7示出不同噴射壓力下，啟噴200μs時(shí)微觀初始噴霧形態(tài)的對(duì)比。如之前所述，當(dāng)噴油壓力較低時(shí)，噴霧可分為半透明液核階段、模糊噴柱階段和完全霧化階段。從清晰的邊界層到完全霧化需要一定時(shí)間的轉(zhuǎn)變期。而觀察80MPa的初始噴霧場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃油從噴孔噴出后就立即霧化，沒有初始轉(zhuǎn)化期。對(duì)比50MPa的和10MPa的微觀噴霧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，雖然50MPa時(shí)無法辨認(rèn)液核區(qū)，但油束出噴孔后仍有一段邊界非常整齊光滑的區(qū)域，而且這一區(qū)域要比10MPa時(shí)小。由此可知隨著壓力升高，光滑區(qū)逐漸減小至消失。

3 近場(chǎng)噴霧液核表面波發(fā)展分析

由于近噴孔區(qū)油束主體與邊緣已霧化油滴很難區(qū)分，故需對(duì)采集的噴霧圖片進(jìn)行處理才能辨別噴霧近場(chǎng)表面波。為此，應(yīng)用文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［10］提出的圖像處理方法對(duì)噴霧照片應(yīng)用Matlab進(jìn)行處理。針對(duì)噴油壓力為80MPa的油束處理流程見圖8，并由相同方法得到40MPa和60MPa油束主體的邊緣圖像。從圖像處理結(jié)果可以看出，處理后的圖片排除了邊緣已霧化油滴的干擾，對(duì)比鮮明，射流主體表面波輪廓清晰，利用提取的邊緣輪廓可以計(jì)算出噴霧液柱表面波波長(zhǎng)和振幅。

圖9示出計(jì)算表面波長(zhǎng)和振幅的原理。其中，λi為第i個(gè)波長(zhǎng)，P為網(wǎng)格數(shù)。由于噴孔直徑為定值，故波長(zhǎng)所占網(wǎng)格數(shù)比上噴孔直徑所占網(wǎng)格數(shù)，再乘以噴孔直徑，就可以得到波長(zhǎng)長(zhǎng)度。圖10示出噴油壓力80MPa、啟噴500μs時(shí)的射流表面波波長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，射流表面波在離噴孔出口一段距離處才能分辨，波長(zhǎng)隨距離的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先增大再減小的循環(huán)變動(dòng)。當(dāng)波長(zhǎng)小于0.05mm時(shí)，波長(zhǎng)呈波動(dòng)性增長(zhǎng)，而當(dāng)波長(zhǎng)增長(zhǎng)到大于0.05mm時(shí)，此時(shí)波長(zhǎng)呈線性迅速增長(zhǎng)，隨后又快速減小。這是由于當(dāng)波長(zhǎng)較小時(shí)，噴束表面受到黏性力和周圍空氣作用力等多種力的作用，波長(zhǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)不確定。而當(dāng)波長(zhǎng)大于0.05mm后，油束與周圍空氣的相互作用成為主導(dǎo)因素，由于受到空氣的剪切和卷吸力作用，波長(zhǎng)迅速增大，因此又進(jìn)一步增大了表面波與空氣的接觸面積，在波長(zhǎng)增大到一定程度后，液滴脫離油束表面霧化，而大波長(zhǎng)的表面波也因此迅速衰減。

圖11示出噴油壓力80MPa，啟噴500μs時(shí)的射流表面波振幅變化的計(jì)算結(jié)果。振幅增長(zhǎng)方式并不像波長(zhǎng)那樣有循環(huán)往復(fù)的特性，而是有不規(guī)則增大的趨勢(shì)。在距噴孔較近的區(qū)域（2～3倍噴孔直徑）內(nèi)，表面波振幅增長(zhǎng)較為緩慢，當(dāng)振幅增大到一定程度后（約0.02mm），將發(fā)生快速并伴隨較強(qiáng)波動(dòng)的增長(zhǎng)。圖12示出噴油壓力為80MPa時(shí)油束射流體表面波波長(zhǎng)和振幅合成的散點(diǎn)圖。由圖可知，表面波振幅和波長(zhǎng)基本不存在簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系，這與文獻(xiàn)［11］的模擬結(jié)果相似。

圖13示出在不同噴油壓力下，射流體表面波振幅和波長(zhǎng)變化的對(duì)比。可以看出，盡管噴油壓力不同，但表面波波長(zhǎng)和振幅的增長(zhǎng)變化規(guī)律相似。波長(zhǎng)在13～100μm范圍內(nèi)變動(dòng)，振幅在4～52μm范圍內(nèi)變動(dòng)。還可以看出，噴油壓力對(duì)初始表面波的生成有重要影響，壓力升高，初生表面波更靠近噴孔出口。此外，波長(zhǎng)和振幅都有從增大到減小的過程，這是由于油束受到軸向和徑向速度的作用，初始射流體表面波在向前傳播的同時(shí)也會(huì)向噴束外緣發(fā)展，因此不但波長(zhǎng)會(huì)增大，表面波振幅也會(huì)增強(qiáng)。隨著表面波的增長(zhǎng)與耗散，噴束邊緣逐漸破碎成更加細(xì)小的液滴。

4 結(jié)論

a）噴油壓力為50MPa時(shí)油束出噴孔后即發(fā)生部分破碎霧化，此壓力下表面波并非在剛出噴孔處就形成，而是在距離噴孔約1倍噴孔直徑處首先出現(xiàn)微小波動(dòng)，隨后波長(zhǎng)和振幅都有所增加，增大到一定程度后破碎為小液滴；同時(shí)，噴孔附近會(huì)形成帶狀液滴微團(tuán)，帶狀微團(tuán)隨后斷裂成細(xì)小液滴；

b）噴射壓力對(duì)噴霧表面波形成發(fā)展和初次霧化有較大影響：當(dāng)壓力不高于40MPa時(shí)，可以清楚觀察到出口噴柱有從半透明的液核向模糊噴柱轉(zhuǎn)變這一過程，說明噴霧初始時(shí)間段液核區(qū)為層流狀態(tài)，尤其在噴油壓力低至10MPa時(shí)，剛出噴孔區(qū)域的層流邊界層可以清晰辨別出來；而隨著壓力升高，層流區(qū)域逐漸減小，當(dāng)壓力大于80MPa時(shí)已經(jīng)無法辨別層流區(qū)域了；

c）隨著噴油壓力的增加，近噴孔區(qū)域油滴分布更加均勻，霧化效果更好；

d）近噴孔區(qū)射流體表面波波長(zhǎng)和振幅隨噴孔出口距離的改變而變化，波長(zhǎng)在13～100μm范圍內(nèi)變動(dòng)，波長(zhǎng)的變動(dòng)與距離沒有明顯的函數(shù)關(guān)系，但總是先增大后減小并往復(fù)循環(huán)；表面波振幅在4～52μm范圍內(nèi)變動(dòng)并且有增大的趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)并不是線性的；

e）由表面波振幅和波長(zhǎng)合成的散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)，表面波振幅和波長(zhǎng)之間不存在簡(jiǎn)單的線性或是單調(diào)函數(shù)關(guān)系；對(duì)比不同噴油壓力的表面波波長(zhǎng)可以得出：壓力增大對(duì)表面波生成具有促進(jìn)作用，壓力越大初生表面波越靠近噴孔出口。

［1］ Faeth G M，Hsiang L P，Wu P K.Structure and Breakup properties of Sprays［J］.Multiphase Flow，1995，21：99－127.

［2］ Joong－Sub Han，Pai－Hsui Lu，Xing－Bin Xie.Investiga－tion of Diesel Spray Primary Break－up and Development for Different Nozzle Geometries［C］.SAE Paper 2002－01－2775.

［3］ Badock C，Wirth R，Kampmann S，et al.Fundamental Study if the Influence of Cavitation on the Internal Flow and Atomization of Diesel Sprays［C］.Manchester：［s.n.］，1998：53－59.

［4］ Rotondi R，Bella G，Grimaldi C，et al.Atomization of High Pressure Diesel Spray：Experimental Validation of a New Breakup Model［C］.SAE Paper 2001－01－1070.

［5］ Choongsik Bae，Jun yu，Jinsuk Kang，et al.Effect of Nozzle Geometry on the Commo－Rail Diesel Spray［C］.SAE Paper 2002－01－1625.

［6］ Zunping Liu，Kyoung－Su Im，Yuejie Wang，et al.Near－Nozzle Structure of Diesel Sprays Affected by Internal Geometry of Injector Nozzle：Visualized by Single－Shot X－ray Imaging［C］.SAE Paper 2010－01－0877.

［7］ Kadamb J R，Martin W T，Amirthaganesh S.Particle sizing using Particle Imaging Velocimetry for twophase flows［J］.Powder Technology，1998，100（2／3）：251－259.

［8］ 杜寶國(guó)，隆武強(qiáng)，馮立巖，等?；贛atlab數(shù)字圖像處理的多片噴霧特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（4）：2－5.

［9］ Weidi Huang，Zhijun Wu，Huifeng Gong，et al.Effect of Nozzle Geometry on Macroscopic Behavior of Diesel Spray in the Near－Nozzle Field［C］.SAE Paper 2013－01－1587.

［10］ 王家文，李仰軍.MATLAB7.0圖形圖像處理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［11］ 虞育松.直噴式柴油機(jī)近噴孔區(qū)域燃油噴射霧化機(jī)理的基礎(chǔ)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.