薛海華

摘 要：隨著科技發(fā)展，激光散射和干涉原理在測試技術(shù)方面的應(yīng)用不斷發(fā)展，如激光散射應(yīng)用、激光多普勒應(yīng)用、誘發(fā)激光熒光技術(shù)、全息激光技術(shù)、微粒圖像速度場模擬等，這些均可用于霧化測試。多普勒微粒相位分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）是多普勒激光測速儀（Laser Doppler Velocimeter，LDV）功能的細(xì)化，它實現(xiàn)了在測定流速時，同時測出跟隨顆粒的微粒直徑、空間濃度等物理量。本文依據(jù)LDV/PDPA的工作原理，對某型號的噴嘴進(jìn)行粒度研究。

關(guān)鍵詞：LDV/PDPA系統(tǒng)；工作原理；霧化粒度

1 LDV/PDPA系統(tǒng)工作原理及研究方法

LDV的原理是采用激光照射運(yùn)動中的噴霧微粒，激光照射到運(yùn)動的微粒時發(fā)生散射，通過對入射光和散射光的頻率進(jìn)行對比，得到正比于微粒速度的多普勒頻移量，通過測量頻移量，從而得到微粒的運(yùn)動速度。測量過程中，激光不會對流產(chǎn)生干涉，并且具有較高的空間和時間分辨率；缺點是不能測量瞬間噴霧場進(jìn)行整體測量，只能通過空間逐點測量。本試驗中采用二維PDPA系統(tǒng)，使噴嘴由上向下運(yùn)動，從而測得多個截面情況的霧化特性，進(jìn)一步推算出燃油霧化度與燃油速率之間的函數(shù)關(guān)系。噴嘴霧化度的一般采用索太爾平均直徑SMD（Sauter Mean Diameter）表示。索太爾平均直徑表示的是燃燒室的綜合性能。

燃油從噴嘴噴射出來后，由許多尺寸各不相同的霧滴組成了噴霧。這些不同的霧滴大小反映了霧化程度，是評定霧化的主要性能指標(biāo)。霧化后的顆粒大小是不均勻的，最大和最小可能相差100倍，所以一般用液滴平均直徑來表示液霧微粒群的細(xì)度。其中平均直徑，是用一個理想化的相同尺寸的液霧來代替原來的液霧，保持原液霧的其中一個特征量不變。燃油霧化目的是在燃燒過程中增大燃油實際表面積，從而增加其蒸發(fā)效率，提高燃燒效率。如果，以保持原液霧的表面積不變的原則得出平均直徑，即索太爾平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）是最常用的；SMD也常用D32來表示，D表示直徑，下角中3表示體積的方次，2表示面積的方次。

當(dāng)用SMD（D32）來表示液滴群的特征尺寸，要滿足兩個條件：

①液體總質(zhì)量相等；

②液體總表面積相等（但液滴總數(shù)就不相等了）。

SMD的表達(dá)式推導(dǎo)如下：

假設(shè)燃油的密度為L，直徑為Di的液滴數(shù)目為ni個，那么，整個液霧的總質(zhì)量為

Q=ni（π/6）ρLD （1）

假設(shè)以索太爾平均直徑（D32）來表征這群液霧，則液滴的總數(shù)目為ns，有

Q=ns（π/6）ρLD （2）

結(jié)合兩種表示方法，霧化前的總質(zhì)量應(yīng)相等，則有

Q=ni（π/6）ρLD=ns（π/6）ρLD （3）

又由于總表面積應(yīng)該相等，則有

S=niD=nsD （4）

式（3）除以式（4），并整理有

D32=niD/niD （5）

于是，可得液霧的總表面積S為

S=6V/D32 （6）

式中，V為液霧的總?cè)莘e。

由式（6）可知，液體霧化的索太爾平均直徑越小，其霧化后表面積越大，也就是液霧群的揮發(fā)速度越快。

相位多普勒/激光多普勒測速系統(tǒng)（PDPA/LDV）是美國TSI公司研發(fā)的產(chǎn)品，主要用于顆粒密度和速度綜合測試儀器。激光多普勒測量儀具有以下優(yōu)點：

①試驗數(shù)據(jù)精確，一般超過達(dá)到0.1%的測量精度，通常不需要的校準(zhǔn)，重復(fù)試驗性好，數(shù)據(jù)對外界環(huán)境（氣壓、溫度、濕度等）需求無嚴(yán)格要求。

②在LDV系統(tǒng)測量時，反相流以及渦流等復(fù)雜流體可以通過頻移確定流體方向進(jìn)行計算。

③系統(tǒng)可測量流速裕度寬，從靜止流體至超音速流體。

④流體的成分和密度對LDV測量的無影響，即使是含有雜質(zhì)氣體或者氣泡的氣體或液體流體測量中也能得到所需的試驗結(jié)果，所以此方法也適用于多相流體研究。

⑤LDV是非接觸式測量系統(tǒng)，它對流場無干擾，測量可靠性較高，適用于流量變化的流體、流體介質(zhì)有毒、流動空間狹小或有腐蝕性的流動以及高溫、高壓、火焰流動的研究。

本試驗采用的PDPA/LDV系統(tǒng)是二維測量系統(tǒng)，通過Z向移動，可實現(xiàn)三維測量。主要包括下列設(shè)備：

PDPA/LDV主要組成為：激光發(fā)生器、發(fā)射光路系統(tǒng)、接受光路系統(tǒng)、信號采集處理器、微型計算機(jī)以及傳輸電纜等。

2 實驗分析

燃油噴嘴綜合試驗系統(tǒng)，是利用PDPA/LDV系統(tǒng)研究航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴工作特性的高技術(shù)試驗系統(tǒng)。可對燃油霧化粒度、噴口附近速度及噴霧錐角等多種液體介質(zhì)的綜合試驗進(jìn)行研究分析工作。本試驗中綜合試驗器由試驗臺、PDPA/LDV系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、操縱控制臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機(jī)處理顯示系統(tǒng)等組成。

3 霧化粒度（SMD）的試驗與分析

霧化粒度是指：假定一團(tuán)霧滴直徑大小相同，其直徑為ds，這團(tuán)假定油滴的表面積與體積之比和真實霧滴的表面積與體積之比相等。SMD是表征液霧微粒群的細(xì)度，一個液滴團(tuán)的平均量。油滴的燃燒速度主要與油滴的蒸發(fā)面積有關(guān)，而按與真實油滴群表面積和體積相等求得的平均直徑，最能反映真實的霧滴群的蒸發(fā)條件，因此最能反映干燥、燃燒的屬性，因而在液霧燃燒中得到廣泛的采用。

霧化粒度試驗，是測量噴嘴在不同工作狀態(tài)下噴霧的SMD值，SMD越小，液滴越細(xì)，越易蒸發(fā)和燃燒，這也是此次試驗的研究目的。通過實測不同工作狀態(tài)下的粒度值用于評估該燃油噴嘴的工作特性和質(zhì)量，因為粒度直接影響燃燒效率、冒煙值、出口溫度場分布等重要技術(shù)指標(biāo)，因而對評價霧化質(zhì)量具有重要意義。

表1列出噴嘴在不同的工況下霧化粒度的試驗結(jié)果的統(tǒng)計。

表1 不同工況下的霧化粒度

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][ 氣路

SMD（μm）

油路

0.1MPa

0.15MPa

0.2MPa

0.25MPa

0.3MPa

0.35MPa

0.4MPa

0.45MPa

0.5MPa][0

46.78

34.24

30.78

27.49

26.91

25.08

24.32

22.01

20.57][0.1MPa

19.76

28.43

20.34

20.80

22.52

23.57

21.59

21.02

18.13][0.2MPa

19.09

21.61

20.65

19.35

18.82

17.06

19.56

19.46

16.59][0.3MPa

14.18

15.90

17.00

18.78

16.74

18.59

17.89

16.41

13.17]

3.1 當(dāng)供油壓力為常量而供氣壓力變化時，可以看到：

①供油壓力不變，隨著供氣壓力的升高，SMD值總體上呈現(xiàn)減小的趨勢；

②在噴嘴加氣后，SMD值減小的幅度較大，大約在20um，這種減小幅度隨著油壓的增加而減??；

③各工況下的直方圖波動趨勢很相似并且均勻，同時隨著空氣壓力的升高，直方圖的最高峰傾向SMD直徑小的方向。這表明了在供油壓力一定時在某個供氣壓力范圍內(nèi)，SMD值隨著供氣壓力的升高明顯降低。

3.2 當(dāng)供氣壓力為常量而供油壓力變化時，可以看到：

①當(dāng)沒有加氣時，SMD呈減小趨勢，當(dāng)供油壓力增加0.35MPa時，SMD基本趨于穩(wěn)定；

②當(dāng)加氣后，SMD數(shù)據(jù)有一定的波動，但整體近似為一常量，在同供油壓力下，SMD比沒有加氣時小，說明空氣對霧化效果影響很大；

③從結(jié)論②可以看出油壓對該噴嘴的霧化效果影響不大，而氣壓對SMD值有很大的影響，這說明空氣霧化噴嘴的霧化效果主要是受氣壓改變的影響，這也是空氣霧化噴嘴與壓力噴嘴的主要區(qū)別之一?？諝忪F化噴嘴就是在低油壓時通過加入一定壓力的空氣提高霧化質(zhì)量。