楊晰宇， 董全， 宋景冬， 盧昌浩， 倪佐

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

由于柴油機(jī)缸內(nèi)采用以擴(kuò)散燃燒為主的燃燒模式，燃油噴霧的發(fā)展及演化情況將會(huì)直接影響柴油機(jī)的性能。而燃油噴霧的射流動(dòng)量是影響噴霧發(fā)展的最重要參數(shù)之一[1]，并且噴霧的動(dòng)量空間分布結(jié)構(gòu)和時(shí)域上的發(fā)展過(guò)程是衡量可燃混合氣組織程度的重要指標(biāo)。因此精確獲取燃油噴霧內(nèi)的動(dòng)量分布情況是揭示燃油噴霧演化機(jī)理，擴(kuò)展柴油機(jī)工作極限的關(guān)鍵。

近年來(lái)，人們逐漸承認(rèn)并證實(shí)了噴霧射流動(dòng)量的測(cè)試是研究噴孔流動(dòng)及其下游噴霧射流發(fā)展的有效手段[2-7]。但是大多數(shù)學(xué)者都是以整個(gè)噴孔為研究對(duì)象，探究噴霧整體的動(dòng)量特征。而定量獲取噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布結(jié)構(gòu)則可以進(jìn)一步加深對(duì)噴霧射流演化機(jī)理的理解。仿真模擬技術(shù)可以定量的獲取噴霧內(nèi)部的動(dòng)量分布情況，但是噴油過(guò)程中燃油壓力的波動(dòng)現(xiàn)象使得仿真分析模型的計(jì)算結(jié)果很難與實(shí)際現(xiàn)象相吻合。使用燃油噴射規(guī)律作為邊界條件可以改善仿真結(jié)果的吻合程度[8]，但是仍然受到實(shí)際噴射時(shí)燃油溫度、密度以及噴孔直徑的影響。若能夠通過(guò)測(cè)試的手段定量獲取噴霧射流內(nèi)部動(dòng)量分布特性，則可以直接為先進(jìn)燃燒概念提供有力的理論依據(jù)。因此發(fā)展噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布特性的測(cè)試技術(shù)愈發(fā)重要，而這種噴霧內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的定量測(cè)試對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的燃油噴射規(guī)律測(cè)試方法是基于傳感器搭建的以整個(gè)噴嘴為研究對(duì)象的高速采集系統(tǒng)。雖然可以定量的獲取噴油器的瞬態(tài)質(zhì)量流量[9-11]，但是無(wú)法測(cè)得噴霧內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征。光學(xué)可視化測(cè)試技術(shù)可以捕捉噴霧的輪廓，無(wú)法對(duì)噴霧內(nèi)部特征進(jìn)行定量分析。激光相位多普勒技術(shù)[12-13]可以獲取噴霧局部液滴大小和速度，但是測(cè)試裝置復(fù)雜，成本相對(duì)較高，對(duì)于燃油噴霧高密度位置的處理難度較大。相比于可視化測(cè)試方法，動(dòng)量法是基于沖擊力信號(hào)的一種間接測(cè)試方法，可以定量的對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。同時(shí)對(duì)力傳感器進(jìn)行適配性改裝，實(shí)現(xiàn)噴霧局部動(dòng)量的測(cè)試。Kampmann等[14]嘗試縮小力傳感器受沖擊面的面積(2 mm2)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴霧局部動(dòng)量的測(cè)試，并基于此探究了不同噴孔的霧化程度以及噴霧錐角。劉建新等[15]也采用縮小傳感器沖擊面積的方法對(duì)噴霧內(nèi)部的動(dòng)量分布進(jìn)行測(cè)試，并探究了針閥頭部倒角結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧動(dòng)量的影響。但是由于傳感器本身具有一定的受力面積，限制了測(cè)試位置的選取。

以上學(xué)者證實(shí)了使用力傳感器測(cè)試噴霧射流局部動(dòng)量測(cè)試的可行性。但是對(duì)于任何測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，分辨率、量程以及測(cè)試信號(hào)的質(zhì)量都是衡量其能否做到精確探究執(zhí)行器工作特性的關(guān)鍵指標(biāo)。因此本文提出一種柴油機(jī)燃油噴霧內(nèi)部動(dòng)量場(chǎng)分布特性測(cè)量系統(tǒng)，采用傘形燃油過(guò)濾裝置，擺脫傳感器體積對(duì)測(cè)試效果及空間分辨率的影響，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化擴(kuò)展了測(cè)試系統(tǒng)的縱向空間位置量程，配合電控精密位移臺(tái)提高了測(cè)試的靈敏度。并對(duì)一只單孔噴油器的噴霧射流內(nèi)部動(dòng)量分布特性進(jìn)行研究，從動(dòng)量空間分布結(jié)構(gòu)及時(shí)間上的演化規(guī)律對(duì)霧化機(jī)理進(jìn)行探究。

1 測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 燃油噴霧動(dòng)量測(cè)試原理

為定量測(cè)試燃油噴霧動(dòng)量，Luci等[2]闡述了噴霧動(dòng)量測(cè)試方法。通過(guò)測(cè)量噴霧對(duì)一個(gè)平整表面的沖擊力，間接測(cè)得燃油噴霧的瞬態(tài)動(dòng)量流如圖1所示。

噴霧與擋板的沖擊是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。噴霧徑向的速度對(duì)沖擊力無(wú)影響且對(duì)噴霧整體動(dòng)量的影響很小，因此忽略噴霧水平方向上的分速度[6-7]。

燃油液滴擊打在擋板上時(shí)有多種反彈形式，但可以歸結(jié)為以下3類：完全彈性碰撞、非完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞。理想情況下，液滴在經(jīng)過(guò)完全非彈性碰撞后失去其軸向速度，不發(fā)生軸向反彈現(xiàn)象，軸向動(dòng)量完全傳遞給目標(biāo)板-傳感器組合體，經(jīng)過(guò)上游液體的沖擊與擠壓作用從側(cè)向離開(kāi)目標(biāo)板。但是對(duì)于完全彈性碰撞與非完全彈性碰撞來(lái)說(shuō)，液滴將會(huì)發(fā)生軸向反彈現(xiàn)象。假設(shè)噴油器霧化均勻，不同液滴達(dá)到相同位置時(shí)質(zhì)量近似相等且與擋板作用時(shí)間相同，液滴高速?zèng)_擊傳感器表面，沖擊時(shí)間很短，沖擊力可以近似看做恒力，如圖2所示。

圖2 燃油液滴軸向反彈Fig.2 Axial rebound of fuel droplets

液滴1沖擊傳感器之后，向上彈起，速度變?yōu)閗v，其中k∈[0～1]，表示任意一種軸向垂直碰撞形式。

液滴1沖擊傳感器表面的平均作用力為f1,由動(dòng)量定理可得以下矢量方程:

f1Δt1=mv-kmv

(1)

液滴1向上彈起，與液滴2碰撞并融合成液滴3向下運(yùn)動(dòng)并沖擊目標(biāo)板-傳感器表面，液滴1與液滴2融合碰撞并融合過(guò)程中動(dòng)量守恒：

mv+mkv=2mv3

(2)

液滴3的沖擊速度v3在數(shù)值上等于：

(3)

液滴3沖擊傳感器表面的平均作用力為f2,由動(dòng)量定理可得:

(4)

液滴1、3兩次沖擊傳感器表面的平均作用力在數(shù)值上可以表示為f，平均作用時(shí)間近似相等Δt1=Δt2，因此：

(5)

若液滴3向上彈起，則重復(fù)以上過(guò)程直到其軸向動(dòng)量完全傳遞給目標(biāo)板。因此可以理解為每次碰撞都是完全非彈性碰撞，測(cè)試過(guò)程中不必考慮燃油液滴的軸向反彈現(xiàn)象。則根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得瞬時(shí)噴霧動(dòng)量流和傳感器接受到的噴霧沖擊力的關(guān)系式可以表示為：

(6)

式中：F為傳感器所測(cè)得的力信號(hào)；M(t)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處燃油的動(dòng)量流。測(cè)試位置處的燃油噴霧在某一時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)量可以表示為：

(7)

本文采用高速采集卡采集力傳感器的模擬電壓信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)為具有固定采樣周期的離散信號(hào)。由于采樣周期很短，因此可以把該周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)視為這個(gè)周期內(nèi)連續(xù)信號(hào)的平均值。因此可以得出離散關(guān)系式：

M(t)=TF(t)

(8)

t=nT

(9)

式中：M(t)為一個(gè)采樣周期內(nèi)測(cè)試位置處燃油噴霧的動(dòng)量；T為采樣周期；F(t)為傳感器測(cè)得的力信號(hào)；n為采樣點(diǎn)的序數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

圖3為本文所采用的測(cè)試系統(tǒng)示意圖。在上位機(jī)中基于LabVIEW編寫程序控制測(cè)試過(guò)程。軌壓控制器根據(jù)上未機(jī)對(duì)目標(biāo)軌壓的標(biāo)定通過(guò)控制高壓油泵上的燃油計(jì)量閥對(duì)燃油壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，建立起穩(wěn)定的燃油噴射壓力。在測(cè)試過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)RS485通訊方式對(duì)時(shí)序控制模塊發(fā)出包含噴射脈寬和噴射頻率信息的指令，在時(shí)序控制模塊中對(duì)通訊信號(hào)進(jìn)行解析并根據(jù)噴射脈寬與噴射頻率轉(zhuǎn)化成具有特定形式的PWM(5V)信號(hào)，發(fā)送給噴油器驅(qū)動(dòng)模塊使噴油器按照指定工況進(jìn)行噴油。在噴油驅(qū)動(dòng)模塊接收到噴油信號(hào)的同時(shí)，同步信號(hào)控制模塊對(duì)采集卡發(fā)出采集使能信號(hào)，觸發(fā)采集卡進(jìn)行采集。沖擊力的測(cè)試采用高精度壓電式力傳感器KISTLER-9207，該傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)電荷放大器的放大之后被數(shù)字采集卡采集，傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。本文對(duì)一只孔徑為0.14 mm的單孔噴油器進(jìn)行測(cè)試，該噴油器噴孔軸線與噴油器軸線重合，傳感器放置在噴孔的正下方。為確保檢測(cè)位置的精確控制，采用精密電控升降和平移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)傳感器精密位移控制。采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行采集，采樣頻率為250 kHz，同時(shí)采用低通濾波對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行平滑處理。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Test system diagram

力傳感器是本文測(cè)試系統(tǒng)中最重要的組成部分，其測(cè)試信號(hào)質(zhì)量直接影響對(duì)噴油器的測(cè)試效果。為實(shí)現(xiàn)燃油噴霧局部動(dòng)量的測(cè)試，要求被測(cè)試部分的燃油噴霧單獨(dú)擊打在目標(biāo)擋板上，并避免其他部分的燃油沖擊目標(biāo)擋板?？s小目標(biāo)板的面積是最直接的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴霧動(dòng)量分布的粗略測(cè)試。但是為防止燃油直接擊打在傳感器器表面，需要目標(biāo)板面積略大于傳感器表面。力傳感器測(cè)試表面的最小直徑一般在6 mm左右，因此該方法無(wú)法對(duì)噴霧近場(chǎng)密集的動(dòng)量分布進(jìn)行探究。

為獲取更加細(xì)致的燃油噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布結(jié)構(gòu)，細(xì)化噴霧測(cè)試位置，本文提出一種如圖4所示的噴霧篩選裝置。

圖4 噴霧篩選裝置Fig.4 Fuel spray screening device

在力傳感器上方加裝傘型燃油過(guò)濾裝置，在分流器頂端加工0.5 mm的通孔，當(dāng)噴霧沖擊分流器時(shí)，目標(biāo)位置的燃油透過(guò)小孔擊打力傳感器-目標(biāo)板組合體上，其余部分燃油噴霧通過(guò)傘形引流作用被剝離燃油噴霧，實(shí)現(xiàn)了噴霧目標(biāo)測(cè)試位置的篩選，測(cè)試位置的細(xì)化程度取決于分流器頂端通孔的面積，不再受到傳感器固有體積的限制，提高了測(cè)試系統(tǒng)的空間分辨率。

本文采用傘型燃油過(guò)濾裝置對(duì)目標(biāo)位置燃油噴霧進(jìn)行篩選，若仍然使用傳統(tǒng)的圓柱形擋板，將會(huì)在濾油孔與傳感器目標(biāo)板之間存在一段接近5 mm的測(cè)試盲區(qū)距離R，無(wú)法測(cè)得噴嘴附近近場(chǎng)燃油動(dòng)量分布結(jié)構(gòu)。為此，設(shè)計(jì)一種圓臺(tái)型測(cè)試擋板，縮小擋板上表面面積，減小了測(cè)試盲區(qū)的距離，較大的下表面積可以避免燃油直接沖擊傳感器表面，防止傳感器表面溫度變化造成的信號(hào)漂移。

圖5 局部動(dòng)量測(cè)試裝置沖擊擋板結(jié)構(gòu)Fig.5 Impact baffle structure of local momentum measuring device

根據(jù)噴油器的工作特性選取合適的采樣方式可以顯著提高測(cè)試系統(tǒng)的性能。噴油器的工作過(guò)程是典型的不連續(xù)脈沖噴射，只需關(guān)心噴射時(shí)傳感器測(cè)試的信號(hào)，而無(wú)需關(guān)注2次噴射間隔時(shí)間的測(cè)試信號(hào)。因此本文采用觸發(fā)采集方式，利用同步信號(hào)控制器，使噴油器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)與采集卡的采集使能信號(hào)的起點(diǎn)在時(shí)間上同步?？s短了采集卡的采樣時(shí)間，提高了采集速率，提高數(shù)據(jù)的利用率。利用噴射間的間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回調(diào)與處理，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。圖6為控制信號(hào)時(shí)序圖。

圖6 控制信號(hào)時(shí)序Fig.6 Control signal timing diagram

2 噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布測(cè)試及分析

如圖7所示，選取一個(gè)過(guò)噴孔軸線的測(cè)試平面，并在該平面上建立以噴孔為原點(diǎn)的坐標(biāo)，水平移動(dòng)方向?yàn)閤，豎直運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥。通過(guò)高精度步進(jìn)電機(jī)對(duì)傳感器的移動(dòng)進(jìn)行控制，x軸方向測(cè)試步長(zhǎng)為0.1 mm，y軸方向測(cè)試步長(zhǎng)為1 mm，本文所采用的采樣周期為0.004 ms，根據(jù)式(8)計(jì)算在每一個(gè)采樣周期內(nèi)測(cè)試位置燃油噴霧的動(dòng)量。

圖7 噴霧內(nèi)部測(cè)試位置調(diào)節(jié)方式Fig.7 Spray internal test position adjustment mode

如圖8所示為噴射壓力為120 MPa，噴油脈寬為1 ms，y=14 mm時(shí)不同x位置的噴霧時(shí)域動(dòng)量測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)測(cè)試位置位于噴孔正下方時(shí)(x=0)噴霧的動(dòng)量為最大值，隨著x的增加，測(cè)試位置遠(yuǎn)離噴孔軸線，噴霧的動(dòng)量逐漸減小。分析其原因可知：當(dāng)燃油噴出噴孔時(shí)，迅速與外界空氣發(fā)生動(dòng)量交換，體積發(fā)生膨脹，噴霧內(nèi)部的燃油濃度隨著噴霧的發(fā)展程度逐漸降低。在相同的測(cè)試高度y時(shí)，在噴孔的軸線位置，膨脹程度較弱，噴霧內(nèi)部的燃油濃度較大，導(dǎo)致該位置處燃油噴霧的動(dòng)量較大。隨著測(cè)試位置逐漸遠(yuǎn)離噴孔軸線，該處的燃油經(jīng)過(guò)一定程度的動(dòng)量交換與膨脹作用，使得燃油濃度逐漸減小，該位置噴霧動(dòng)量也逐漸減小。另外從圖中曲線可知，隨著x的增加，噴霧動(dòng)量信號(hào)的起始點(diǎn)向后推遲，這表明，燃油達(dá)到測(cè)試目標(biāo)板的時(shí)間增加，直接說(shuō)明了隨著距離噴孔軸線距離的增加，燃油噴霧的速度逐漸減小，這也是導(dǎo)致燃油噴霧內(nèi)部動(dòng)量呈現(xiàn)這種分布形式的主要原因。

圖8 不同x位置處的噴霧動(dòng)量時(shí)域曲線Fig.8 Time domain curves of spray momentum at different x positions

為了更加清晰的獲取噴霧內(nèi)部的動(dòng)量分布場(chǎng)結(jié)構(gòu)，選取3個(gè)不同的噴油壓力并對(duì)測(cè)試工況點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化，如表1所示。

表1 測(cè)試工況點(diǎn)Table 1 Test condition point

噴霧內(nèi)部各點(diǎn)時(shí)域動(dòng)量的強(qiáng)度圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布場(chǎng)Fig.9 Momentum distribution field inside spray

從圖9中可以看出，當(dāng)噴油器受到噴射激勵(lì)后的0.48～1.8 ms時(shí)，不同噴射壓力下，噴霧內(nèi)部的動(dòng)量分布場(chǎng)隨時(shí)間不發(fā)生明顯變化,并且由于噴油器內(nèi)部液力伺服作用，隨著噴油壓力的增加噴油持續(xù)器增加。這段時(shí)間內(nèi)針閥已經(jīng)被提起，噴孔完全打開(kāi)，處于穩(wěn)定噴射狀態(tài)。因此在這段時(shí)間內(nèi)噴霧動(dòng)量分布場(chǎng)處于穩(wěn)定階段，并呈現(xiàn)紡錘形的動(dòng)量分層狀態(tài)：在噴霧核心處，燃油未充分膨脹破碎，具有較高的動(dòng)量，遠(yuǎn)離噴孔位置的噴霧破碎程度較高，噴霧動(dòng)量隨之向空間擴(kuò)散發(fā)展。隨著噴射壓力的提高，燃油噴霧所具有的動(dòng)量逐漸增大，也促進(jìn)了噴霧向下發(fā)展。同時(shí)也使得噴霧的動(dòng)量分布具有更大的宏觀體積，增大燃油與空氣的接觸面積，提高燃油與空氣的混合程度。

0.4 ms之前為噴射起始階段，在該階段隨著時(shí)間的增加，針閥逐漸上提，噴孔的有效流動(dòng)面積增加，該階段動(dòng)量分布場(chǎng)呈現(xiàn)柱形結(jié)構(gòu)。0.4 ms時(shí)噴射壓力為120 MPa的噴霧前端動(dòng)量分布已經(jīng)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，動(dòng)量分布場(chǎng)呈現(xiàn)紡錘狀，而較低的噴射壓力下動(dòng)量分布狀態(tài)仍然呈現(xiàn)柱型結(jié)構(gòu)，說(shuō)明噴射壓力對(duì)于噴霧近場(chǎng)動(dòng)量分布的發(fā)展速度具有明顯的促進(jìn)作用，提高噴射壓力可以增強(qiáng)液柱期燃油噴霧的破碎程度。

1.88～2.08 ms為噴射結(jié)束階段，在該階段，噴霧核心處動(dòng)量首先出現(xiàn)快速衰減現(xiàn)象，下游位置由于失去了噴霧核心處的動(dòng)量貢獻(xiàn)也隨之快速衰減。另外，隨著噴射壓力的提高，噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布場(chǎng)呈現(xiàn)提前發(fā)展，滯后衰減的趨勢(shì)，并且發(fā)展與衰減所需要的時(shí)間均減小，噴霧處于穩(wěn)定階段的時(shí)間明顯增加。這是由于噴射壓力直接決定了針閥所受到的力，噴射壓力增加針閥抬起及落座的加速度增加，噴油器呈現(xiàn)快速打開(kāi)，快速斷油的特征。

為了突出燃油噴霧動(dòng)量分布場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)特征，使燃油噴霧不同位置處的時(shí)域動(dòng)量對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分可以獲得該位置處的噴霧時(shí)域總動(dòng)量(如圖10所示)。

圖10 噴霧內(nèi)部時(shí)域總動(dòng)量分布場(chǎng)Fig.10 The total momentum distribution field in the time domain inside the spray

從整體上來(lái)看，噴油壓力對(duì)噴霧內(nèi)部時(shí)域總動(dòng)量分布場(chǎng)影響較為明顯。燃油噴霧在噴孔附近具有較高的時(shí)域總動(dòng)量，隨著軸向與徑向距離的增加，外圍噴霧的時(shí)域總動(dòng)量逐漸減小，如圖11所示。

圖11 噴霧內(nèi)部時(shí)域總動(dòng)量徑向分布Fig.11 Radial distribution of total momentum in time domain inside the spray

從圖中可以看出，在噴孔軸線處，燃油噴霧的動(dòng)量最大，隨著測(cè)試位置向邊緣移動(dòng)，噴霧動(dòng)量逐漸減小，總體上噴霧時(shí)域總動(dòng)量分布呈現(xiàn)中間大邊緣小的趨勢(shì)。另外隨著測(cè)試位置高度y的增加，徑向噴霧最大值逐漸減小，動(dòng)量徑向分布尺寸增加。

提取不同噴射壓力下，噴孔軸線處不同距離的燃油噴霧時(shí)域總動(dòng)量如圖12所示。

從圖12(a)可以看出，隨著噴射壓力的提高，噴孔軸線處噴霧動(dòng)量顯著增加。并且隨著測(cè)試距離y的增加呈現(xiàn)非線性的減小趨勢(shì)，在噴孔靠近噴孔處噴霧動(dòng)量下降速度較快，隨著距離y的增加噴霧動(dòng)量下降速逐漸降低。分析其原因可知，柴油作為典型的不可壓縮流體，其射流出口速度及密度隨著噴射壓力的提高而增加，導(dǎo)致射流動(dòng)量隨著噴油壓力的提高而增加。另外共軌系統(tǒng)較高的噴射壓力使得噴孔出口處柴油液柱的速度很大，中心的噴霧核心區(qū)域是連續(xù)的高濃度液體核心，其速度與噴孔出口速度相同，具有較大的動(dòng)量。同時(shí)該位置具有很高的動(dòng)量交換能力，表面與空氣發(fā)生劇烈的卷吸作用，大塊的液體結(jié)構(gòu)被空氣撕扯剝離出噴霧核心區(qū)域，隨著噴霧向下游發(fā)展，噴霧軸線處燃油濃度逐漸降低，液塊體積逐漸減小，與周圍空氣動(dòng)量交換能力降低，曲線逐漸趨于平緩。

從圖12(b)可以看出，在x=-0.5 mm時(shí)，測(cè)試位置位于噴霧核心之外，燃油噴霧動(dòng)量分布隨著距離y的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這是由于在噴霧核心之外的區(qū)域，噴霧的動(dòng)量主要是由核心區(qū)域的擴(kuò)散作用產(chǎn)生的。在靠近噴嘴處的噴霧近場(chǎng)區(qū)域燃油液滴具有體積大、速度快的特點(diǎn)，燃油液滴的速度接近噴孔出口處速度，隨著噴霧在近場(chǎng)的發(fā)展液滴速度變化不大，并具有徑向發(fā)展的趨勢(shì)。因此在第1階段，噴霧動(dòng)量上升主要是由于噴霧濃度增加引起的，當(dāng)噴霧向下游發(fā)展到一定程度液滴表面張力與周圍空氣的氣動(dòng)力趨向平衡時(shí)，液滴的破碎速度降低，測(cè)試點(diǎn)噴霧濃度的增加對(duì)該處噴霧動(dòng)量的貢獻(xiàn)不如液滴速度減小對(duì)噴霧的貢獻(xiàn)，因此在該位置噴霧呈現(xiàn)出動(dòng)量逐漸降低的趨勢(shì)。

圖12 噴霧內(nèi)部時(shí)域總動(dòng)量軸向分布Fig.12 Axial distribution of total momentum in time domain within the spray

另外噴油壓力越高2個(gè)區(qū)域的拐點(diǎn)出現(xiàn)位置越靠近噴孔，這說(shuō)明噴油壓力的提高可以縮小近場(chǎng)高濃度區(qū)域的大小，使燃油液塊的破碎位置更加接近噴孔，加速燃油霧化。

3 結(jié)論

1)提出一種傘型燃油過(guò)濾裝置，篩選出目標(biāo)測(cè)試位置的燃油噴霧，實(shí)現(xiàn)了噴霧內(nèi)部動(dòng)量分布場(chǎng)的測(cè)試，提高測(cè)試裝置的空間分辨率。采用一種圓臺(tái)型目標(biāo)擋板結(jié)構(gòu)，縮短近場(chǎng)噴霧動(dòng)量測(cè)試盲區(qū)，拓展了測(cè)試系統(tǒng)的縱向空間量程。

2)基于本文的測(cè)試方法，對(duì)一只單孔噴油器的燃油噴霧動(dòng)量分布場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：燃油噴霧動(dòng)量分布場(chǎng)在時(shí)域上主要分為：噴射起始階段，穩(wěn)定噴射階段，噴射結(jié)束階段。在噴射起始階段，燃油噴射的動(dòng)量分布呈現(xiàn)柱形結(jié)構(gòu)，噴霧未完全發(fā)展，隨著噴射壓力的提高該階段所占的時(shí)間逐漸減小。在穩(wěn)定噴射階段，動(dòng)量分布場(chǎng)呈現(xiàn)紡錘型的分層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)向外噴霧動(dòng)量逐漸減小。在噴射結(jié)束階段，噴霧核心處動(dòng)量迅速消失，動(dòng)量分布場(chǎng)結(jié)構(gòu)逐漸從紡錘形變?yōu)橹尾⒅饾u衰減消失，隨著噴射壓力的提高，該階段所占的時(shí)間逐漸減小。

3)為研究噴霧動(dòng)量的空間結(jié)構(gòu)特征，對(duì)動(dòng)量曲線進(jìn)行積分可以獲得該位置處的時(shí)域總動(dòng)量。在噴霧核心區(qū)域，相同徑向位置x處，隨著y的增加噴霧動(dòng)量呈現(xiàn)非線性的減小趨勢(shì)，越靠近噴孔或噴油壓力越大，動(dòng)量衰減的速度越快；在噴霧核心區(qū)域以外噴霧所具有的動(dòng)量主要由核心處動(dòng)量擴(kuò)散而來(lái)，動(dòng)量分布結(jié)構(gòu)隨著距離y的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，拐點(diǎn)的出現(xiàn)位置隨著噴油壓力的提高向噴孔處靠近。因此提高噴射壓力可以有效地增加近場(chǎng)區(qū)域燃油的霧化速度，減小高動(dòng)量區(qū)域的面積，促進(jìn)燃油與空氣的動(dòng)量交換作用。