竇彥超, 楊 敏, 陳敏敏, 馬 柱, 姚慕偉, 何 樂

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)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(dòng)機(jī)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(lái)表示[1-4]。

噴嘴分布不均勻度的測(cè)量方法主要有兩種,一種是傳統(tǒng)的機(jī)械式,另一種是激光式。傳統(tǒng)機(jī)械式的檢測(cè)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(jī)械式測(cè)量方法測(cè)量時(shí)噴霧撞擊到收集器壁面會(huì)產(chǎn)生停滯層,屬于侵入式測(cè)量,這在很大程度上會(huì)破壞原有的噴霧場(chǎng)結(jié)構(gòu)[7]。在進(jìn)行徑向分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)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(wú)論是周向還是徑向分布的測(cè)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(huì)增加噴霧與收集器的接觸面積,從而增加了對(duì)噴霧場(chǎng)的干擾。因此,受限于本身測(cè)量原理的影響,機(jī)械式分布器的空間分辨率提升空間非常有限。

隨著光學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了測(cè)量燃油噴嘴噴霧分布的非介入式激光診斷技術(shù)[8-11],常見的有平面激光散射方法(Planar Laser Scattering,PLS)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(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(hào)的強(qiáng)度大于實(shí)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(cè)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(yīng)的影響,只適用于測(cè)量噴霧比較稀疏的油霧場(chǎng);PDPA的單點(diǎn)測(cè)量精度較高,但單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)效率低,獲得一個(gè)剖面的分布信息需要進(jìn)行上百次的測(cè)量,工作量極大,而且無(wú)法得到二維的瞬態(tài)結(jié)果。同時(shí)以上幾種方法都不具備測(cè)量高濃度噴霧場(chǎng)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(shù)發(fā)展出的新型分布器,該型分布器應(yīng)用6個(gè)激光發(fā)射器產(chǎn)生的片狀激光對(duì)噴霧區(qū)域進(jìn)行檢測(cè),由于片光源本身產(chǎn)生的散射光較小,同時(shí)激光陣列探測(cè)器上裝有限制散射光到達(dá)檢測(cè)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(hào)強(qiáng)度與激光片光源的信號(hào)強(qiáng)度相比通常可以忽略不計(jì)[13],因此激光消光斷層技術(shù)相比PLIF,不容易受二次發(fā)射多重散射效應(yīng)的影響。此外,激光消光斷層技術(shù)測(cè)量噴霧燃油空間分布具有快速、準(zhǔn)確及可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),主要局限性在于空間分辨率要比應(yīng)用激光片光攝影技術(shù)的分布器略低,但仍遠(yuǎn)高于機(jī)械式的分辨率。盡管存在這些限制,SETscan作為一個(gè)高效、精細(xì)的噴嘴測(cè)量工具還是獲得了廣泛的認(rèn)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(duì)于流量較小的噴嘴,SETscan相比于機(jī)械式能顯著地提高實(shí)驗(yàn)效率。

本文采用SETscan對(duì)單油路離心噴嘴噴霧場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,獲得了不同工況條件下燃油噴嘴噴霧場(chǎng)的空間分布信息,同時(shí)從實(shí)驗(yàn)效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性等多個(gè)方面對(duì)SETscan進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光式分布不均度測(cè)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(cè)試計(jì)算機(jī)和SETscan等組成。

圖1 激光式分布不均勻度測(cè)量系統(tǒng)示意圖

由于單油路離心式霧化噴嘴噴霧相對(duì)穩(wěn)定,采用機(jī)械式分布器對(duì)其噴霧濃度進(jìn)行測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差較小(相比于空氣霧化式噴嘴),實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象選取了兩件標(biāo)準(zhǔn)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(shí)),選取的兩件噴嘴在燃油壓力為 3.0 MPa時(shí)噴霧錐角只有50°左右,在采用激光式分布器測(cè)量時(shí)可以在噴霧中心區(qū)域產(chǎn)生較大的消光值來(lái)驗(yàn)證分布器對(duì)于高濃度噴霧的測(cè)量能力,同時(shí)為了驗(yàn)證分布器對(duì)不同噴霧狀態(tài)的測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)介質(zhì)為RP-3航空煤油。

1.2 測(cè)試原理

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

SETscan測(cè)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(lái)估算液滴特性所采用的理論方法;第二部分是SETscan對(duì)噴霧測(cè)量截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再通過MLE去卷積方法將測(cè)量的路徑積分透射比還原為局部消光系數(shù)。

對(duì)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(zhǎng))。根據(jù)朗伯比爾定律(Lambert-Beer Law),此時(shí)噴霧單位體積內(nèi)的液滴表面積與消光系數(shù)相等,而對(duì)于大多數(shù)噴霧來(lái)說,液滴直徑都遠(yuǎn)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(shí)單個(gè)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(shí)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(duì)于一個(gè)包含多個(gè)噴霧粒子的粒子團(tuán),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(shí)激光透射比與消光系數(shù)的關(guān)系。

(5)

第二部分為SETscan通過MLE去卷積方法將測(cè)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(shè)每個(gè)軸向激光只有8個(gè)平行路徑(實(shí)際共有512個(gè)),軸1方向激光的8個(gè)路徑積分透射比在圖5中用T1～T8表示。測(cè)量區(qū)域在徑向方向被劃分為3個(gè)環(huán)形部分,最外環(huán)被分成了24個(gè)區(qū),中間的環(huán)形被分成12個(gè)區(qū),最內(nèi)環(huán)只有1個(gè)區(qū)域且不再進(jìn)行劃分。因此,噴霧區(qū)域被劃分成大小相對(duì)均勻的37個(gè)區(qū)域。

圖5 噴霧測(cè)量平面網(wǎng)格劃分示意圖

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

(6)

(7)

由于式(7)是線性的,對(duì)其中每一項(xiàng)進(jìn)行平均,可以得到時(shí)間平均路徑積分透射比與局部消光系數(shù)的關(guān)系為

(8)

本次實(shí)驗(yàn)噴霧測(cè)量區(qū)域劃分方式如圖6所示。在徑向方向上劃分為32個(gè)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(cè)量區(qū),最后得到如圖6所示的2 185個(gè)大小相對(duì)均勻的網(wǎng)格狀計(jì)算區(qū)域。SETscan通過建立3 072(6×512)個(gè)線性方程求解出每個(gè)區(qū)域的消光系數(shù),進(jìn)而獲得整個(gè)平面內(nèi)的噴霧濃度分布信息。

圖6 實(shí)際噴霧測(cè)量平面網(wǎng)格劃分圖

機(jī)械式測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)扇區(qū)的機(jī)械式分布器,分布器實(shí)物圖如圖7所示。機(jī)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(duì)噴霧結(jié)構(gòu)的影響,分布器底部用柔性軟管連接12個(gè)燃油收集器,每個(gè)收集器底部分別安裝一個(gè)精度為±0.01%(滿量程時(shí))的電子稱,用于計(jì)算每個(gè)扇區(qū)在一定時(shí)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(gè)電子秤的讀數(shù),然后計(jì)算出在設(shè)定工況條件下的噴霧周向分布不均勻度指數(shù)為

圖7 機(jī)械式分布器實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)首先采用SETscan對(duì)1#噴嘴進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量截面為距離噴嘴噴口50 mm的剖面,燃油壓力為3.0 MPa,測(cè)量時(shí)間設(shè)定為12 s,測(cè)量頻率為1 000 Hz。激光分布器在6個(gè)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(dá)到了0.933,此外,當(dāng)消光系數(shù)大于0.1時(shí),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(chǔ),通過卷積的方法得出與消光狀態(tài)對(duì)應(yīng)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(cè)量剖面的噴霧濃度分布結(jié)構(gòu),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(shí)驗(yàn)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(jié)果?？傮w來(lái)看,1#噴嘴燃油濃度從噴霧中心到噴霧邊緣呈層狀結(jié)構(gòu),濃度逐漸減少,分布較為均勻。結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9 1#噴嘴單位體積內(nèi)液滴表面積濃度云圖

實(shí)驗(yàn)選用2#噴嘴分別進(jìn)行激光式以及機(jī)械式分布不均勻度實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu),2#噴嘴存在約5個(gè)燃油聚集點(diǎn)(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(duì)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(lán)色區(qū)域并沒有在噴霧圖片中體現(xiàn)出來(lái),說明SETscan具有識(shí)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?jiān)茍D中橫坐標(biāo)X=0 mm的數(shù)據(jù)提取出來(lái)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(shí)可以觀察到兩條曲線寬度存在較大差別,以縱坐標(biāo)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(duì)稱形狀,而經(jīng)過計(jì)算2#噴嘴右側(cè)表面積數(shù)值相比左側(cè)高出約12%,而1#噴嘴左右相差不到2%。

圖12 兩個(gè)噴嘴單位體積內(nèi)液滴表面積對(duì)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(lái)估算噴嘴的噴霧錐角,通過對(duì)噴霧中心線上的液滴表面積進(jìn)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(jìn)一步驗(yàn)證SETscan的測(cè)量結(jié)果,對(duì)2#噴嘴采用激光式和機(jī)械式兩種分布器測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。激光式分布器和機(jī)械式分布器測(cè)量的數(shù)據(jù)不同,SETscan測(cè)量的數(shù)據(jù)為單位體積內(nèi)的表面積濃度,而機(jī)械式測(cè)量的是燃油流量。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì),將兩種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成百分比,即機(jī)械式為各個(gè)扇區(qū)燃油流量占總流量的比值,激光式為各個(gè)扇區(qū)表面積濃度占總濃度的比值。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)分別選取了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行結(jié)果比對(duì),流量分別為6.39 kg/s(0.5 MPa)和15.15 kg/s(3.0 MPa),機(jī)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(cè)量精度,流量為15.15 kg/s時(shí)設(shè)定收集時(shí)間為3 min,流量為6.39 kg/s時(shí)設(shè)定收集時(shí)間為7 min,經(jīng)統(tǒng)計(jì)在燃油壓力為3.0 MPa時(shí)收集器收集到的燃油約為噴嘴流量的95%(質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值),說明流經(jīng)噴嘴的大部分燃油都被機(jī)械式分布器所收集。SETscan測(cè)量時(shí)間設(shè)定為12 s,測(cè)量頻率為1 000 Hz,測(cè)量結(jié)果為12 s的平均穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性,分別用兩種測(cè)量方法對(duì)每個(gè)工況均進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)通過固定噴嘴的測(cè)量位置保證機(jī)械式與SETscan測(cè)量的每個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng),對(duì)于一個(gè)完全軸對(duì)稱的噴霧分布,無(wú)論是激光式還是機(jī)械式分布器測(cè)量出的數(shù)據(jù)在每個(gè)扇區(qū)的占比應(yīng)為8.33%,圖13為兩種工況下機(jī)械式分布器測(cè)量的每個(gè)扇區(qū)的燃油流量占比以及激光式分布器測(cè)得的表面積濃度占比。

圖13 機(jī)械式分布器與激光式分布器測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從圖13中可以看出,SETscan測(cè)量的數(shù)據(jù)和機(jī)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(cè)量方法下均被展現(xiàn)出來(lái)。但在第5～7扇區(qū),兩種測(cè)量方法的數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)了相反的趨勢(shì)。產(chǎn)生不一致的原因主要有以下兩個(gè)方面:首先是測(cè)量原理導(dǎo)致的,機(jī)械式為侵入式測(cè)量,測(cè)量過程中會(huì)對(duì)固有的噴霧場(chǎng)產(chǎn)生干擾,而激光式不存在上述問題,2號(hào)噴嘴噴霧狀態(tài)較差,噴霧本身存在大量的燃油聚集點(diǎn),圖10和圖11中均有清晰的體現(xiàn),當(dāng)燃油聚集點(diǎn)噴射到機(jī)械式分布器的鋼片上時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,這是兩種測(cè)量方式數(shù)據(jù)有差異的最主要原因;其次是實(shí)驗(yàn)誤差的影響,例如噴嘴安裝定位問題,雖然實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)盡量保證噴嘴的安裝位置保持兩種測(cè)量方位一致,但考慮到噴嘴需要在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行移動(dòng)難免會(huì)產(chǎn)生位置的輕微變動(dòng),這也從側(cè)面說明機(jī)械式測(cè)量方法會(huì)受到噴嘴安裝位置的影響。盡管存在以上問題,兩種測(cè)量方法得出的數(shù)據(jù)趨勢(shì)是基本一致的。

接下來(lái),對(duì)兩種測(cè)試方法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,提取出5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的各扇區(qū)所占的百分比數(shù)據(jù),然后分別對(duì)每個(gè)扇區(qū)的5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)方差。圖14與圖15分別為機(jī)械式和激光式分布器各扇區(qū)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差。

圖14 機(jī)械式分布器各個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差

圖15 激光式分布器各個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差

從總體上可以看出,激光式測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線相比于機(jī)械式更加平滑,各扇區(qū)的數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的離散程度在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍之內(nèi),說明各個(gè)扇區(qū)的波動(dòng)值差別不大,反觀機(jī)械式數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大,其中在燃油壓差為0.5 MPa時(shí),機(jī)械式最大波動(dòng)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(duì)于其他扇區(qū)的波動(dòng)偏大,這是機(jī)械式測(cè)量本身的局限性與噴嘴噴霧狀態(tài)共同作用的結(jié)果。從數(shù)值上看,激光式在兩種工況下的波動(dòng)值都比機(jī)械式小,還可以看出隨著燃油流量的增大,兩種測(cè)量方法的波動(dòng)值都有下降的趨勢(shì),因?yàn)閲娮斓牧髁科r(shí)燃油噴霧更容易受到抽氣系統(tǒng)影響,從而影響測(cè)量結(jié)果。

在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)2#噴嘴分別用兩種測(cè)量方法進(jìn)行了濃度分布不均勻度測(cè)量實(shí)驗(yàn),除了前面完成的2個(gè)狀態(tài)點(diǎn)外又額外增加了3個(gè)工況點(diǎn),分別是1.5 MPa、2.0 MPa和4.5 MPa,每個(gè)工況點(diǎn)采用兩種方法各進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn),取平均數(shù)作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)兩種測(cè)量方法計(jì)算出的結(jié)果偏差較大,當(dāng)燃油壓力為0.5 MPa時(shí),機(jī)械式測(cè)量值為29.6%,激光測(cè)量的結(jié)果僅為15.6%,機(jī)械式測(cè)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(dāng)燃油壓力達(dá)到4.5 MPa時(shí),機(jī)械式測(cè)量值為38.5%,激光式為31.5%,機(jī)械式的測(cè)量值僅為激光式的1.2倍,這是因?yàn)槿加蛪毫^低時(shí)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(cè)量方法測(cè)量的不均勻度都隨著燃油壓力的增加而增大,激光式測(cè)量的數(shù)據(jù)燃油壓力從0.5 MPa增加到4.5 MPa時(shí)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(dǎo)致不均勻度指數(shù)不斷增大,但也可以看到增加的趨勢(shì)有所下降。

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

3 結(jié)論

采用SETscan對(duì)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(shí)驗(yàn),并與傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比,得出以下結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于激光式為非接觸式測(cè)量,在測(cè)量過程中不會(huì)受到噴霧特性本身的影響,而機(jī)械式會(huì)受到噴霧質(zhì)量以及測(cè)量時(shí)的安裝位置等因素的影響,而且在使用流量偏小的噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

② 激光式測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)效率更高,機(jī)械式測(cè)量方法需要根據(jù)燃油噴嘴的流量對(duì)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以保證測(cè)量精度,而激光式測(cè)量方法測(cè)量頻率為1 000 Hz,僅需10 s左右就能得到1萬(wàn)個(gè)瞬態(tài)數(shù)據(jù),且不需要根據(jù)噴嘴流量等因素進(jìn)行調(diào)整。

③ 激光式測(cè)量與機(jī)械式測(cè)量相比獲得的實(shí)驗(yàn)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(cè)量方法,激光式測(cè)量能夠從多個(gè)角度檢驗(yàn)噴嘴的噴霧質(zhì)量。