申力鑫，王成軍，張中飛，于 雷，劉愛虢

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院),沈陽 110136)

基于PIV技術的噴霧場試驗研究

申力鑫，王成軍，張中飛，于 雷，劉愛虢

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院),沈陽 110136)

以WP7燃油噴嘴為研究對象，利用非接觸式激光測試技術粒子成像測速儀PIV(Particle Image Velocimetry)測量了雙油路霧化噴嘴所形成的噴霧場，得到了不同油路不同壓力下的噴霧場圖像與速度矢量圖。試驗圖像表明：霧化過程是一個從液膜到液滴，再二次霧化或者重新聚合的復雜過程；在一定壓力范圍內(nèi)，噴霧錐角與供油壓力的大小無關；不同的油路情況下，噴霧錐角也不相同，且與噴嘴的結構特點有關。

PIV;雙油路;壓力霧化噴嘴;噴霧錐角;速度分布;液膜

在航空發(fā)動機燃燒室中，燃油是在經(jīng)過噴嘴霧化之后，以液霧的形式進入的，噴嘴是航空發(fā)動機燃燒室的重要組成部件,噴嘴性能的好壞將對燃燒室的燃燒過程有著重要的影響,將直接影響發(fā)動機的點火速度、啟動速度和穩(wěn)定性、溫度分布以及排氣污染等各個方面的性能[1-4]，因此，液霧的特性也決定了燃燒的質(zhì)量。為了提高燃燒效率，降低污染排放，拓寬穩(wěn)定燃燒范圍，新燃燒概念和新霧化技術不斷地提出和發(fā)展，對于噴嘴霧化性能的要求也越來越高。而噴嘴霧化性能的好壞是根據(jù)燃燒室的工作要求來提出指標的，主要包括液滴尺寸分布、霧化細度、霧化均勻度和噴霧錐角等。

噴霧研究一直是國內(nèi)外航空發(fā)動機研究領域中重要的一個方面，早期對噴嘴噴霧場的測量主要有陰影法、紋影法以及沉降法、凍結法和接觸法[5-6]，隨著對霧化機理了解的進一步加深，這些方法已經(jīng)無法滿足研究的需要。到20世紀70年代，光學測量技術開始逐漸應用在噴霧場測量上，發(fā)展到現(xiàn)在，激光測試技術在噴霧場測量上的應用已經(jīng)很成熟，包括PIV(Particle Image Velocimetry)[7]、LDV(Laser Doppler Velocimetry)、PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)[8]、PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)等[9]。這些技術測量的側重領域都各不相同，其中，PIV在速度場的測量方面得到了廣泛的應用,美國學者M.A.Beeck、G.M.Bianch以及M.TsueS.Takagishi等利用PIV技術對噴霧結構和液滴運動進行了比較多的研究[10-13]。20世紀90年代以來，運用計算機進行數(shù)值模擬成為另外一種研究噴嘴噴霧特性的有效方法，該方法耗時短，耗費小，并且能夠簡單快捷的研究各種參數(shù)對噴嘴霧化特性的影響。利用這兩種方法，相關研究者不僅對噴嘴的霧化性能參數(shù)進行了研究，同時對噴嘴的結構形式，噴射介質(zhì)物性和工作環(huán)境參數(shù)對噴霧的影響方面也進行了研究[14-16]。

本文運用PIV測試技術，選取渦噴7發(fā)動機燃油噴嘴作為研究對象，此噴嘴為雙油路壓力霧化噴嘴，通過實驗測試此噴嘴在不同主副油路壓力下噴霧場的速度分布和噴霧錐角等參數(shù)，并分析其霧化特性，討論不同的主副油路壓力對噴霧場的影響，以進一步了解噴霧性能對燃燒室燃燒性能影響的原因，為噴嘴的改進設計提供實驗依據(jù)。

1 試驗測量系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由燃油噴嘴試驗臺、試驗器計量系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、引風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PIV測試系統(tǒng)組成(圖1)。試驗系統(tǒng)通過供油控制臺來調(diào)節(jié)主副油路的開關與供油量的大小，同時可以通過壓力傳感器實時監(jiān)測壓力的變化。

試驗噴嘴為雙油路壓力霧化噴嘴，如圖2 所示。噴嘴殼體內(nèi)有主、副兩條油路，相互獨立，并有各自的旋流器和噴口。試驗在常溫常壓下進行，噴射介質(zhì)為RP-2航空煤油，其動力粘性系數(shù)μ=0.001 159 N·m-1·s-1，表面張力系數(shù)σ=0.025 3 N·m-1，密度ρ=778 kg·m-3。

圖1 燃油噴嘴綜合試驗臺示意圖

圖2 噴嘴實物圖

PIV測試系統(tǒng)的硬件基本組成部件有:YAG激光器、導光臂、同步控制器、激光器鏡頭、其他各種固定裝置、CCD相機等。圖3所示的是PIV測試系統(tǒng)示意圖，激光片光由雙脈沖Nd：YAG激光器作為光源，單個脈沖最高能量為200 mJ，脈沖激光波長為532 nm。CCD相機是一個數(shù)碼相機，其分辨率為2048×2048，幀速為32幀。同步控制器的時間分辨率是1 ns，負責精確的接收外部信號以協(xié)調(diào)各部件的工作時序，控制CCD相機的拍攝頻率與激光頻率保持一致。激光器鏡頭由焦距為-15 mm的柱面鏡和焦距為500 mm的球面鏡組成，激光經(jīng)過兩個透鏡，最終射出的是一條細長的豎線，豎線打在噴霧場上形成片光源，相機鏡頭與片光源位置垂直。

圖3 PIV測試系統(tǒng)示意圖

2 噴霧試驗

2.1 單開主油路

調(diào)節(jié)供油控制臺，只開啟主油路，改變主油路壓力，分別在6個不同壓力下，用PIV對噴霧場進行測量。圖4是在0.3 MPa壓力下的噴霧場PIV原始圖像和速度矢量圖。

圖4 0.3 MPa壓力下主油路的PIV圖像及處理圖

從圖4a發(fā)現(xiàn)，燃油剛從噴嘴出來的時候，形成一層清晰的液膜，由于壓力較小，此時的液膜切向速度也較小，其速度分量中軸向速度較大，徑向速度較小，之后液膜發(fā)生破碎，產(chǎn)生大小形狀各不相同的、離散的液體大尺度微團結構，包括團、塊和滴等。由于還沒有形成噴霧，PIV系統(tǒng)是捕捉不到噴霧粒子的，所以在圖4b圖中，對應位置沒有速度矢量。之后，液膜在表面張力、粘性力和氣動力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式下逐漸破碎成不同尺寸的液滴，這便是燃油的初始霧化過程。初始霧化形成的液滴在外界氣流中運動時，受到氣動力和表面張力的作用。表面張力的作用是使液滴抱團收縮成球形，而氣動力是作用在液滴表面的力，壓迫液滴，促使液滴變形。氣動力和表面張力之比稱為韋伯(We)數(shù)，當氣液兩相確定時，韋伯數(shù)的大小僅與氣液兩相的相對速度和液滴的直徑有關，液滴破碎的臨界韋伯數(shù)約為12，在試驗中，較大的體積和速度會促使液滴二次破碎的發(fā)生。燃油在初始霧化和二次霧化的共同作用下形成了可以被PIV系統(tǒng)捕捉到的噴霧液滴。

觀察圖4b發(fā)現(xiàn),液滴較多地分布在噴霧錐體的外側和中心區(qū)域，從而形成雙空心的噴霧錐體。這種結構是由噴嘴的結構特點和此時較小的壓力形成的，當增大主油路壓力時，中心區(qū)域的液滴會逐漸減少，當壓力達到一定程度時，整個噴霧場會形成空心錐體的結構。

流體力學中把噴嘴的出口到噴霧炬外包絡線的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角。使用電腦角度測量軟件對PIV原始圖像中的噴霧錐角進行測量，得到6個不同壓力下的噴霧錐角，如表1所示。

表1 主油路不同壓力下的噴霧錐角

2.2 單開副油路

調(diào)節(jié)供油控制臺，只開副油路，在與單開主油路試驗相同的工況下用PIV對噴霧場進行測量。得到6個不同壓力下噴霧場的PIV原始圖像和速度矢量圖，見圖5所示。

圖5 副油路PIV圖像及處理圖

續(xù)圖5副油路PIV圖像及處理圖

使用電腦角度測量軟件對PIV原始圖像中的噴霧錐角進行測量，得到單開副油路工況下的6個不同壓力下的噴霧錐角，如表2所示。

表2 副油路不同壓力下的噴霧錐角

在0.3 MPa壓力時，噴霧場的噴霧錐角很小，只有51.42°，燃油經(jīng)過噴嘴噴射出來時，受到重力的影響較大，所以此時的速度矢量圖中顯示較多的液滴分布在噴嘴的正下方區(qū)域，且這部分液滴的速度方向也是向下的。增大壓力到0.6 MPa時，噴霧錐角變大，此時的液滴開始更多地受到切向力的影響，在速度矢量圖中表現(xiàn)出來的的就是液滴逐漸向外側區(qū)域分布。繼續(xù)加大壓力到0.9 MPa時，噴霧錐角繼續(xù)增大，液滴速度開始沿噴霧錐體母線的切向分布，并且整個噴霧場形成空心的結構。當壓力增大到1.2 MPa時，噴霧錐角已經(jīng)達到最大值，這個最大值在82°到83°之間，繼續(xù)加大壓力，不會影響噴霧錐角的變化，此時變大的是燃油的流量和霧化液滴的數(shù)目，在一定壓力范圍內(nèi)，壓力越大，流量越大，噴霧場中液滴的數(shù)目也會相應增多。

整個實驗工況清晰的描述了噴霧場中空心椎體形成的過程與原因：噴霧椎體在較大壓力時，其椎體外圍的速度要明顯大于椎體中心的速度；椎體外圍的液滴霧化良好，并且液滴數(shù)量要大于椎體中心處，從而形成空心椎體的噴霧結構。這是因為在較大壓力時，切向速度增加，噴嘴內(nèi)部形成空氣心，燃油在噴嘴出口以液膜的形式射出，在射出以后，形成的液滴徑向速度較大，大部分都分布于椎體的外圍，從而導致空心椎體的產(chǎn)生。

2.3 主副油路同開

調(diào)節(jié)供油控制臺，開啟主油路，并保持主油路0.3 MPa壓力不變，改變副油路壓力，在6個不同的副油路壓力下用PIV對噴霧場進行測量。圖6是主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa壓力下的PIV圖像及處理圖。

圖6 主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa壓力下的PIV圖像及處理圖

從PIV原始圖像上看，圖6與圖4大體上相似，在噴霧錐體外側都有一層清晰的油膜，噴霧液滴也主要分布在靠近錐體母線的外側；從處理圖像看，則有較明顯的區(qū)別，圖6中噴霧場中心的液滴速度明顯要大于圖4中相同位置的液滴速度，并且其液滴速度方向逐漸向平行噴霧錐體母線的方向靠近，這是由于副油路壓力的影響，繼續(xù)加大壓力，噴霧場會逐漸形成空心錐體的結構。

使用電腦角度測量軟件對噴霧錐角進行測量，得到主油路0.3MPa，副油路在6個不同壓力下的噴霧錐角，如表3所示。

表3 主副油路同開不同壓力下的噴霧錐角

3 試驗結果分析

綜合上述3個試驗工況，當噴嘴壓力很小時，由于主要受到重力的影響，噴霧液滴大多分布在噴嘴的正下方，并且噴霧錐角也較小。隨著壓力的逐漸增大，噴霧錐角變大，一部分噴霧液滴分布在噴霧錐體母線區(qū)域，另一部分噴霧液滴分布在噴嘴下方，這部分液滴的速度隨著壓力的變大而逐漸增大，其速度方向也逐漸向著噴霧錐體母線方向靠攏。當壓力增大到一定程度以后，噴霧場形成空心錐體的噴霧結構，液滴絕大部分分布在椎體外側。之后繼續(xù)增大壓力，噴霧錐角不再繼續(xù)變大，噴霧液滴的速度也不再變化，變化的只有噴霧場的流量和噴霧液滴的密度。

圖7為噴嘴在主副油路單獨工作及主副油路同時工作時，噴霧錐角隨壓力的變化曲線。

圖7 噴霧錐角變化曲線

從圖7中可以看出，在供油壓力達到一定的范圍之后，繼續(xù)增大壓力不會改變噴霧錐角的大小，故可認為，對于壓力霧化噴嘴來說，在噴霧場穩(wěn)定以后，噴霧錐角與供油壓力的變化無關，只與噴嘴的幾何特征尺寸有關。

單開主油路時噴霧錐角明顯大于單開副油路時，大了約11°～12°，這是由噴嘴的結構特點決定的，副油路噴口位于噴嘴中心，而主油路噴嘴在噴嘴的外圈，這也解釋了主油路在較小壓力時噴霧錐角就達到較大的穩(wěn)定值，而副油路的噴霧錐角在較小壓力時很小，隨著壓力的逐漸變大而逐漸增大，到一定壓力范圍之后才會不隨壓力的變化而改變。

4 結論

本文通過運用PIV測試技術對雙油路壓力霧化噴嘴在不同的壓力情況下的噴霧場進行測量，得到的結論如下：

(1)燃油最先在噴嘴中形成的是液膜，在離開噴嘴之后，液膜在表面張力、慣性力和氣動力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式逐漸破碎成不同尺寸的液滴，這些液滴在外界空氣的作用下會經(jīng)過二次霧化形成更小的液滴或者與其他液滴相互聚合形成較大的液滴；

(2)在一定壓力范圍內(nèi)，噴霧錐角的大小不隨供油壓力的變化而變化，只與噴嘴的結構特點有關；

(3)在同樣的壓力下，單開主油路時的噴霧錐角略大于主副油路同開時的噴霧錐角約3°～4°，大于單開副油路時的噴霧錐角約11°～12°。這種情況是由噴嘴的結構特點所決定的，雙油路壓力霧化噴嘴的主油路噴口在外圈，副油路噴口位于噴嘴中心。

[1] WANG X F，LEFEBVRE A H.Atomization Performance of Pressure swirl Nozzles[R].AIAA 861728，1986.

[2] 雷雨冰，趙堅行，周峰輪.環(huán)管燃燒室性能計算[J].工程熱物理學報，2002，23(5)：645—648.

[3] 張征，樊未軍，楊茂林.雙路離心式噴嘴霧化特性研究[J].工程熱物理學報，2003，24(1)：153-156.

[4] NOLL B，KESSLER R，THEISEN P，et al.Flow field mixing characteristics of an aero-engine combustor-part II：numerical simulations[R].AIAA 2002-3708，2002.

[5] 高劍，蔣德明.柴油機噴霧特性的測試方法[J].柴油機，2002(6)：4-7.

[6] 董堯清.國外柴油機噴霧特性的研究現(xiàn)狀[J].國外油泵油嘴，1985(1)：1-4.

[7] 楊小林，嚴敬.PIV測速原理與應用[J].西華大學學報(自然科學版)，2005，24(1):19-20.

[8] 宋菲君.用相位多普勒效應同時測量微粒的速度與尺寸[J].物理，1993，22(8)：487-492.

[9] 劉存喜.多級旋流空氣霧化噴嘴霧化特性及光學測試方法研究[D].北京：中國科學院大學，2012.

[10]孟慶生.信息論[M].西安:西安交通大學出版社，1986.

[11]ABM,HENTSCHEL W.V,PP.101120.Laser metrology-A diagnostic tool in automotive development processes[J].Optics and Lasers in Engineering,2000(34):101-120.

[12]MBG,PP.Modeling atomization of high-pressure diesel sprays[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power,2001(123):419-427.

[13]成曉北.柴油機燃油噴射霧化過程的機理與試驗研究[D].武漢：華中科技大學，2002.

[14]AD,KSS.Numerical prediction of air core diameter,coefficient of discharge and spray cone angle of a spray pressure nozzle[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2000,21(4)：412-419.

[15]MADSEN J,HJERTAGER.Numerical simulation of internal flow in a larege-scale pressure-swirl atomizer[C]//19th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems,2004.

[16]ISHIMOTO J.Integrated simulation of the atomization process of a liquid jet througha cylindrical nozzle[J].Interdisciplinary Information Sciences,2007,3(1):7-16.

(責任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

ExperimentalstudyonsprayfieldbasedonPIVtechnology

SHEN Li-xin,WANG Cheng-jun,ZHANG Zhong-fei,YU Lei,LIU Ai-guo

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

For a WP7 fuel nozzle,the spray field caused by a duplex-oil circuit pressure atomizing nozzle was measured using the Particle Image Velocimetry(PIV),a non-contact laser measurement technique.Pictures of spray field and velocity vector were obtained under different oil circuit and oil pressure.The test images show that the atomization is a complex process from liquid film to liquid droplets,and then second aryatomization or re-polymerization.The spray cone angle is not related toa certain pressure.The spray cone angle is different using different oil circuit,largely dependent on the geometry of nozzle.

PIV;duplex-oilcircuit;pressure atomizing nozzle;spray cone angle;velocity distribution;liquid film

2017-05-26

國家自然科學基金(項目編號：51476106)；遼寧省自然科學基金(項目編號：2015020639)

申力鑫(1989-)，男，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向:航空發(fā)動機燃燒技術，E-mail：365262082@qq.com；王成軍(1967-)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要研究方向：航空發(fā)動機燃燒技術，E-mail：wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)04-0027-07

V231.2

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.003