武 浩 ，章振宇 ，張付軍，回 越，高宏力

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué) 長(zhǎng)三角研究院，浙江 嘉興 314011；3. 北京航天時(shí)代飛鴻技術(shù)有限公司，北京 100094)

憑借著結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)成熟、可靠性高、升功率高、成本低且易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在軍用和民用長(zhǎng)航程、中低空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)方面具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景[1-2]．液體燃料的噴霧和霧化是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃料充分且高效燃燒的關(guān)鍵步驟[3]．在燃燒系統(tǒng)中，更小的燃油液滴可以實(shí)現(xiàn)更高的熱釋放率、更寬的燃燒范圍和更低的污染物排放[4-5]．根據(jù)參與霧化的流體種類可以將其分成單流體霧化和雙流體霧化[6]．單流體霧化通常需對(duì)霧化的液體建立盡可能高的壓力，并配合孔式或圓環(huán)式的噴嘴結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高速射流和快速霧化[7-8]．雙流體霧化通常采用額外的流體介質(zhì)(多為空氣)，并通過(guò)強(qiáng)加的空氣動(dòng)力學(xué)作用來(lái)輔助液體實(shí)現(xiàn)快速高效霧化[9]．作為一種內(nèi)混合雙流體霧化方式，空氣輔助噴射憑借壓縮空氣在噴嘴出口處形成的高速射流和瞬態(tài)膨脹效應(yīng)[10]，可以在較低的噴射壓力(不超過(guò)1.0MPa)下實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高質(zhì)量的霧化效果．此外，這種霧化方式對(duì)霧化液體的物理屬性表現(xiàn)出顯著的不敏感性[11]．因此，在改善以航空煤油為代表的高黏度重油燃料霧化方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力．

在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油系統(tǒng)通常需要采用脈沖式噴油器，以間歇式的工作方式在特定時(shí)刻向缸內(nèi)噴射一定量的燃油．因此，采用電磁控制實(shí)現(xiàn)的間歇式空氣輔助噴射系統(tǒng)將在滿足航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行需求的同時(shí)，為發(fā)動(dòng)機(jī)油、氣混合與燃燒提供較高質(zhì)量的燃油霧化效果．當(dāng)前，間歇式噴霧的主要實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)電磁力驅(qū)動(dòng)噴油器內(nèi)部針閥以實(shí)現(xiàn)噴嘴開(kāi)啟和關(guān)閉的快速切換[12-13]．連續(xù)式噴霧在運(yùn)行條件固定時(shí)，可以形成穩(wěn)定的噴霧．穩(wěn)定噴霧的空間幾何結(jié)構(gòu)、液滴的空間分布以及液滴的尺寸與速度等特性不隨時(shí)間發(fā)生變化；而間歇式噴霧的持續(xù)時(shí)間通常不超過(guò)10ms，具有顯著的瞬態(tài)特征．

在間歇式噴霧的研究方面，董全等[14]對(duì)壓電晶體控制的外開(kāi)軸針式噴油器的噴霧場(chǎng)內(nèi)粒子速度與直徑進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)測(cè)量，并且對(duì)噴油過(guò)程和噴油結(jié)束后的噴霧粒子速度與直徑進(jìn)行對(duì)比．李雁飛等[15]對(duì)于汽油直噴(GDI)噴霧的冷態(tài)工況和閃沸條件下的宏觀形態(tài)以及微觀液滴進(jìn)行了較為廣泛的測(cè)量，并對(duì)閃沸工況下噴霧的特性及影響因素做出深入闡述．Feng等[16]基于圖像粒子測(cè)量法對(duì)柴油噴霧的稀釋區(qū)液滴速度和直徑進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)噴霧的發(fā)展過(guò)程區(qū)分出不同的噴霧階段，并對(duì)比了時(shí)變條件下液滴速度與直徑的分布規(guī)律和均值特征．

在有關(guān)空氣輔助噴霧的研究中，白洪林等[17]研究表明，增加空氣噴射量可以改善燃油的霧化效果．王思奇等[10]將空氣輔助噴霧應(yīng)用于航空重油的霧化，并通過(guò)仿真研究分析了氣相壓比對(duì)于實(shí)際霧化效果的影響．高宏力等[18]對(duì)航空煤油的空氣輔助噴霧展開(kāi)試驗(yàn)，基于背光成像技術(shù)對(duì)多參數(shù)下的噴霧外部宏觀特性展開(kāi)測(cè)量與定量分析．Wu等[19]對(duì)比了閃沸與非閃沸條件下空氣輔助噴霧的外部宏觀特性與噴霧微觀液滴的分布規(guī)律，并采用示蹤粒子法對(duì)噴霧中的氣流速度進(jìn)行表征．在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)空氣輔助噴霧場(chǎng)內(nèi)的液滴動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析表明，液滴破碎與碰撞融合的均衡位置非常接近噴嘴出口[20]．

與連續(xù)式噴霧不同，間歇式噴霧需依靠噴嘴“開(kāi)啟-保持-關(guān)閉”的連續(xù)且周期性執(zhí)行，因而噴霧也同樣存在“初始-發(fā)展-消散”的非定常演變過(guò)程[16]．由此推斷間歇式空氣輔助噴霧隨著噴射時(shí)間的發(fā)展可能存在一定的霧化特性差異，然而當(dāng)前針對(duì)該部分的研究仍不夠充分．筆者以間歇式空氣輔助噴霧為主要研究對(duì)象，采用高速攝影技術(shù)對(duì)噴霧形態(tài)進(jìn)行拍攝，并量化得到的噴霧宏觀特性隨時(shí)間的演變規(guī)律．此外，采用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對(duì)不同噴射參數(shù)下的噴霧液滴進(jìn)行測(cè)量，并主要對(duì)比分析了時(shí)變條件下的噴霧液滴統(tǒng)計(jì)學(xué)特性，噴霧場(chǎng)內(nèi)的氣相流動(dòng)特性以及氣、液相間的滑移速度．

1 試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 噴射系統(tǒng)與測(cè)試燃料

圖1為空氣輔助噴射系統(tǒng)示意．其中噴射的空氣由壓縮氣源提供．氣體的壓力由調(diào)壓器內(nèi)的左側(cè)壓差閥(參考?jí)毫榄h(huán)境壓力)穩(wěn)定在0.7MPa．經(jīng)過(guò)低壓油泵加壓的燃油由調(diào)壓器的右側(cè)壓差閥(參考?jí)毫闅怏w壓力)穩(wěn)定在0.8MPa．氣體壓力和燃油壓力均采用高精度數(shù)顯壓力表YK-100(測(cè)量誤差范圍為±0.2%)進(jìn)行讀?。?/p>

圖1 空氣輔助噴射系統(tǒng)Fig.1 Air-assisted injection system

穩(wěn)壓后的氣路與連接塊內(nèi)部連通，并充滿噴油器出口以下空間以及氣嘴內(nèi)腔，從而形成高壓環(huán)境．系統(tǒng)工作時(shí)，單孔式噴油器首先將燃油釋放到高壓環(huán)境中；隨后氣嘴將混合的空氣燃油混合流體噴出形成雙流體噴霧．噴油嘴和氣嘴均由電磁驅(qū)動(dòng)，并以脈沖形式工作，驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)啟的電流波形配置以及開(kāi)關(guān)時(shí)序均由ECU進(jìn)行精確調(diào)控[21]．

氣嘴的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示．總體上看，氣嘴主要包括磁軛、線圈、針閥、殼體、彈簧及分流器．作為主要的運(yùn)動(dòng)件，針閥頭部為半球形，與外殼的頭部形成圓環(huán)狀流道．針閥的上部套筒(與針閥焊接后成為一個(gè)整體)由磁性材料制成并在通電線圈建立的磁場(chǎng)中易受電磁力從而推動(dòng)針閥運(yùn)動(dòng)，即向圖示左側(cè)運(yùn)動(dòng)．彈簧會(huì)在磁場(chǎng)消失后作用于針閥歸位，即向圖示右側(cè)運(yùn)動(dòng)．工作間隙決定了針閥的最大位移，也直接決定了噴嘴的開(kāi)啟截面．燃油通過(guò)分流器的中間通孔進(jìn)入氣嘴而氣體主要通過(guò)分流器與外殼形成的兩側(cè)空間進(jìn)入氣嘴，如圖中箭頭所示．氣嘴機(jī)械組件的三維透視如圖2b所示．

圖2 氣嘴截面和三維透視Fig.2 Cross-sectional view and three-dimensional perspective view of the air injector

試驗(yàn)所用燃油為正十二烷(C12H26)，其標(biāo)況下的燃料密度、運(yùn)動(dòng)黏度和表面張力分別為748kg/m3、1.36×10-3kg/(m·s)和0.0255kg/s2．

1.2 PDPA設(shè)置

圖3a為相位多普勒粒子分析測(cè)試系統(tǒng)，其主要由PDPA、噴油系統(tǒng)、定容彈、控制與采集系統(tǒng)組成．PDPA是一種單點(diǎn)式的光學(xué)測(cè)量手段，可以實(shí)現(xiàn)液滴速度與尺寸的同步測(cè)量．由氬離子激光器發(fā)射的激光(波長(zhǎng)為514.5nm)通過(guò)光導(dǎo)纖維傳至發(fā)射器，穿過(guò)透鏡和容彈的石英視窗后在容彈內(nèi)形成一個(gè)橢球形測(cè)量體．光信號(hào)接收器軸線與測(cè)量體位于同一水平平面，并與發(fā)射器的軸線呈110°，以有效捕捉一階散射信號(hào)[22]．測(cè)量體的空間位置由位移系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其移動(dòng)精度可達(dá)0.1mm．噴射系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及PDPA的觸發(fā)信號(hào)均由ECU輸出，以保證多次試驗(yàn)的時(shí)序統(tǒng)一．在固定的工況條件下，需要重復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量以保證液滴采樣率，計(jì)算得到的特性參數(shù)的最大相對(duì)誤差數(shù)值不超過(guò)5%．試驗(yàn)時(shí)，定容彈內(nèi)的環(huán)境壓力和溫度分別為0.1MPa和20℃．相同工況的液滴采樣數(shù)量不低于10000，液滴的非球形容忍度設(shè)置為5%．

圖3 PDPA測(cè)試系統(tǒng)和控制信號(hào)Fig.3 PDPA measurement system and control signal

截取單次控制信號(hào)時(shí)序如圖3b所示．其中，To為峰值電流的驅(qū)動(dòng)段，用于噴嘴的快速開(kāi)啟；而Tf和Ta分別為油嘴和氣嘴的驅(qū)動(dòng)電流保持段，以保持噴嘴處于開(kāi)啟狀態(tài)．Ti為油嘴關(guān)閉與氣嘴打開(kāi)之間的噴射間隔．PDPA的觸發(fā)信號(hào)被設(shè)置為與氣嘴驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步．觸發(fā)開(kāi)始后，PDPA處于工作狀態(tài)并準(zhǔn)備記錄經(jīng)過(guò)測(cè)量體的液滴信息．氣嘴打開(kāi)以后，噴霧需要一段時(shí)間Ta才會(huì)抵達(dá)測(cè)量體．采樣循環(huán)由PDPA的采集系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置，并且將觸發(fā)后的時(shí)間序列按照固定時(shí)長(zhǎng)(ΔbT＝0.5ms)劃分成一系列時(shí)間格子并編號(hào)．基于這些時(shí)間格子內(nèi)捕捉的液滴信息可以進(jìn)行時(shí)變微觀特性對(duì)比．試驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示．其中在恒定噴氣脈寬條件下改變噴油脈寬的大小所得到的量綱為1參數(shù)統(tǒng)一采用油、氣噴射脈寬比Δf-a來(lái)表示；而恒定噴油脈寬條件下改變噴氣脈寬的大小所得到的量綱為1參數(shù)統(tǒng)一采用氣、油噴射脈寬比Δa-f來(lái)表示，即

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置Tab.1 Setup of test conditions

1.3 液滴直徑與速度聯(lián)合概率密度分布函數(shù)

不同于此前研究[19-20]中對(duì)液滴直徑與速度的分布進(jìn)行單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，采用液滴直徑-速度聯(lián)合概率密度函數(shù)(JPDF)對(duì)單一工況下捕捉的液滴信息進(jìn)行綜合評(píng)估[23]．當(dāng)液滴經(jīng)過(guò)PDPA測(cè)量體時(shí)，液滴速度u和直徑D以及經(jīng)過(guò)的時(shí)刻t被準(zhǔn)確記錄．直徑分布為、速度分布為的液滴，其聯(lián)合概率密度函數(shù)表示液滴直徑分布在dD范圍，且滿足液滴的瞬時(shí)速度分布在du范圍的概率，因此有公式[24]為

在對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化時(shí)，dD的取值為1.0μm，而du取值為2.0m/s．

對(duì)噴霧液滴數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先基于時(shí)間序列可以獲得液滴速度分布與直徑分布，進(jìn)而得到液滴速度隨直徑變化的分布．最后將液滴按照其對(duì)應(yīng)的JPDF數(shù)值大小進(jìn)行劃分并著色，得到可以直觀展示液滴尺寸與速度的聯(lián)合概率密度分布．

1.4 氣流速度的表征

在氣、液兩相射流研究中，通常采用小尺寸液滴(D＜5μm)的速度來(lái)表征氣相流動(dòng)速度．這種方法建立在小液滴自身的動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于其對(duì)于外部流動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間尺度的前提下[25]．在研究中，筆者篩選直徑小于5μm的液滴作為示蹤粒子，并計(jì)算其速度的平方平均值來(lái)表征測(cè)量體所處位置的氣流速度ug為

式中：ui表示第i個(gè)示蹤液滴的速度．上述采用示蹤粒子表征氣流速度的方法在前人的研究[20,25-26]中被廣泛采用，并被認(rèn)為是間接獲取連續(xù)相流動(dòng)速度的有效手段，關(guān)于該方法的驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)[19].

在改變噴油脈寬和噴氣脈寬時(shí)，PDPA的采樣位置被固定在噴霧軸線Z＝40mm處．主要關(guān)注的噴霧特性參數(shù)包括液滴直徑與速度JPDF、液滴的索特平均直徑(SMD)與平均速度um、氣體流動(dòng)速度ug以及氣、液之間的平均滑移速度uslip，即

式中：j表示第j個(gè)采樣液滴；um為液滴平均速度，表示所有采樣液滴的動(dòng)量總和等于假設(shè)所有采樣液滴均為um時(shí)計(jì)算得到的液滴動(dòng)量之和；為捕獲液滴的算術(shù)平均速度．

2 研究結(jié)果與分析

2.1 噴霧形態(tài)與宏觀特性

噴霧的宏觀形態(tài)隨噴射時(shí)間的變化采用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝得到．將高速相機(jī)(Phantom v7.3)的拍攝速率設(shè)置為10000 幅/s，得到的圖像分辨率大小為512×512 像素．相同工況下對(duì)多次噴射得到的噴霧圖像進(jìn)行捕捉，圖4為選取的一組噴霧宏觀圖像隨時(shí)間的演變過(guò)程．較小的油、氣噴射脈寬比有助于加快噴霧在軸向的發(fā)展，而不利于噴霧在徑向的擴(kuò)散．隨著油、氣噴射脈寬比的增加，噴霧的徑向擴(kuò)散增強(qiáng)而軸向貫穿逐漸減弱．

圖4 噴霧形態(tài)演變Fig.4 Spray morphology evolution

基于Matlab的圖像批處理程序?qū)Χ啻螄娚涞膰婌F原始圖像進(jìn)行后處理，可得到噴霧貫穿距和噴霧投影面積，如圖5所示．發(fā)現(xiàn)油、氣噴射脈寬比的增加會(huì)顯著降低相同時(shí)刻噴霧的軸向貫穿距，而容彈的可視范圍極限為77mm，噴霧軸向貫穿距達(dá)到該值表明此時(shí)噴霧形態(tài)已經(jīng)到達(dá)容彈視窗底部．

圖5 噴霧宏觀特性Fig.5 Spray macro characteristics

噴霧投影面積大小隨噴射時(shí)間的變化結(jié)果表明，當(dāng)噴射時(shí)間小于3ms時(shí)，不同油、氣噴射脈寬比下的噴霧投影面積差異較?。@是因?yàn)殡m然較大的油、氣噴射脈寬比得到的噴霧軸向貫穿距較小，但此時(shí)噴霧的徑向擴(kuò)散較為明顯，由此彌補(bǔ)了噴霧軸向擴(kuò)散的不足．當(dāng)噴射時(shí)間大于3ms時(shí)，Δf-a＝8對(duì)應(yīng)的噴霧投影面積的遞增趨勢(shì)明顯大于其他油、氣噴射脈寬比條件．這是因?yàn)閲婌F到達(dá)容彈視窗底部后，噴霧軸向擴(kuò)散對(duì)噴霧投影面積的影響已經(jīng)達(dá)到極限．此時(shí)噴霧的徑向擴(kuò)散將對(duì)噴霧投影面積起主導(dǎo)作用．

2.2 油、氣噴射脈寬比的影響

圖6 為不同油、氣噴射脈寬比下液滴尺寸-速度JPDF隨著采樣時(shí)間的變化．隨著Δf-a從1逐漸增加到4，液滴直徑的分布范圍逐漸從0～25μm增加到0～40μm；而液滴速度的分布范圍則從0～150m/s逐漸降低至0～100m/s．隨著Δf-a的進(jìn)一步增加，液滴直徑的分布范圍不會(huì)出現(xiàn)明顯改變，而液滴速度的范圍會(huì)進(jìn)一步降低至0～60m/s．

圖6 時(shí)變液滴尺寸-速度JPDFsFig.6 Time-resolved droplet size-velocity JPDFs

上述數(shù)據(jù)趨勢(shì)對(duì)于不同采樣間隔(時(shí)間格子)都基本相同，表明噴油持續(xù)時(shí)間的降低會(huì)導(dǎo)致實(shí)際用于噴射的油、氣混合工質(zhì)中的燃油含量降低．在相同的氣嘴開(kāi)始時(shí)長(zhǎng)下，產(chǎn)生的噴霧中液體的體積分?jǐn)?shù)較小．此時(shí)，氣體射流不易受到工質(zhì)中液體的影響從而形成高速射流；同時(shí)，液體在高速氣流作用下所受到的較強(qiáng)空氣動(dòng)力學(xué)作用力會(huì)極大促進(jìn)霧化，進(jìn)而產(chǎn)生更小尺寸的液滴．而上述效果會(huì)隨著噴油量的增加而逐漸減弱，并主要表現(xiàn)在大尺寸液滴的出現(xiàn)以及液滴速度的降低．液滴速度與直徑的JPDF基本上呈現(xiàn)較為明顯的單峰分布規(guī)律，即JPDF的峰值出現(xiàn)在u-D分布的單一區(qū)域．從結(jié)果上看，JPDF均分布在0＜D＜10μm且不受Δf-a的影響．從觸發(fā)時(shí)間的角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于Δf-a＝1工況來(lái)說(shuō)，液滴直徑的分布范圍隨著觸發(fā)時(shí)間會(huì)稍有增加，而液滴速度范圍會(huì)明顯降低．對(duì)于Δf-a≥4的工況，液滴直徑和速度的分布總體上不受觸發(fā)時(shí)間的影響．這是因?yàn)檩^低的噴油持續(xù)脈寬及其本質(zhì)上產(chǎn)生的較低噴油量會(huì)導(dǎo)致噴霧過(guò)程在較短的時(shí)間內(nèi)完成；而較大的噴油持續(xù)時(shí)間會(huì)顯著延長(zhǎng)噴霧過(guò)程．因此，在選定的時(shí)間格子內(nèi)均可以捕捉到以穩(wěn)定速度和尺度運(yùn)動(dòng)的液滴．

基于分布規(guī)律可進(jìn)一步計(jì)算得到液滴平均速度以及平均直徑．圖7a為不同Δf-a工況下液滴的索特平均直徑隨著采樣時(shí)間的變化．在Ta后的最初3個(gè)時(shí)間格子內(nèi)，不同Δf-a下的SMD差別最大，且SMD隨著Δf-a的增加而增大．隨著采樣時(shí)間的增大，不同Δf-a間液滴SMD的差異逐漸減?。私Y(jié)果表明，噴油持續(xù)時(shí)間對(duì)于霧化效果的影響主要體現(xiàn)在噴霧頭部，也就是噴霧在抵達(dá)測(cè)量體后的最初3個(gè)時(shí)間格子(時(shí)間格子1～3)內(nèi)．

圖7 不同油、氣噴射脈寬比下SMD和液滴平均速度Fig.7 SMD and droplet meanvelocity under different Δf -a cases

圖7b為基于采樣液滴動(dòng)量總量一致得到的液滴平均速度．在噴霧液滴的采樣時(shí)間內(nèi)，um隨著Δf-a的增加呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)，表明噴油脈寬與噴霧中燃油含量的正相關(guān)性會(huì)最終對(duì)霧化液滴的平均速度產(chǎn)生消極影響．由于該空氣輔助噴射系統(tǒng)的燃油優(yōu)先噴射原則，實(shí)際噴霧中的液滴動(dòng)能主要來(lái)源于氣體射流以及氣、液間的動(dòng)量交換[21]．噴油量的增加會(huì)使單位質(zhì)量的液滴所能獲得的動(dòng)量降低，因而造成液滴um的降低．同時(shí)，由于Δf-a導(dǎo)致的um差異在不同采樣時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)非單調(diào)的變化，這是由于Δf-a為1和2工況下噴霧過(guò)程較明顯的時(shí)變脈動(dòng)所導(dǎo)致．

圖8 a為不同油、氣噴射脈寬比下的氣流速度．可以發(fā)現(xiàn)ug會(huì)隨著Δf-a的增加而顯著降低；而隨著Δf-a的增加，氣流速度隨時(shí)間的變化會(huì)依次經(jīng)歷遞減、恒定以及遞增的變化趨勢(shì)．其中，Δf-a為1和2時(shí)的氣流速度隨時(shí)間的遞減趨勢(shì)最明顯，Δf-a為4工況次之；Δf-a為6及8的氣流速度幾乎不依賴于采樣時(shí)間；當(dāng)油、氣噴射脈寬比繼續(xù)增加至10時(shí)，氣流速度隨時(shí)間開(kāi)始呈遞增趨勢(shì)．

圖8 不同油、氣噴射脈寬比下氣流速度和平均滑移速度Fig.8 Local gas velocity and mean slip velocity under different Δf-a cases

圖8b為不同油、氣噴射脈寬比下氣、液相間平均滑移速度．該參數(shù)可用來(lái)表征氣相和液相之間的相對(duì)速度；Δf-a為1和2時(shí)的滑移速度為正值，表明液滴平均速度大于周圍氣流速度．而Δf-a為4和6時(shí)的滑移速度基本接近0．隨著Δf-a的進(jìn)一步增加，滑移速度變?yōu)樨?fù)值．忽略時(shí)變下的數(shù)據(jù)變化，不同Δf-a下的相間平均滑移速度不依賴于采樣時(shí)間．

2.3 氣、油噴射脈寬比的影響

圖9 為不同氣、油噴射脈寬比下的時(shí)變液滴尺寸-速度JPDF．氣、油噴射脈寬比對(duì)液滴直徑的分布范圍沒(méi)有明顯的影響．不同Δa-f下，不同采樣時(shí)間內(nèi)捕獲的液滴直徑基本分布在0～40μm；而速度范圍隨著Δa-f的增加可見(jiàn)少量的增加．

圖9 時(shí)變液滴尺寸-速度JPDFsFig.9 Time-resolved droplet size-velocity JPDFs

從JPDF的峰值來(lái)看，不同Δa-f及采樣時(shí)間下液滴尺寸-速度聯(lián)合分布依然表現(xiàn)出單峰特征．從時(shí)變角度的對(duì)比可知，Δa-f≤0.125時(shí)，時(shí)間格子6采集的液滴數(shù)量明顯減少，這是由于氣嘴的關(guān)閉導(dǎo)致；而當(dāng)Δa-f＞0.125時(shí)，液滴速度及分布范圍的峰值位置隨著噴射時(shí)間先降低(時(shí)間格子1～2)而后又逐漸增加(時(shí)間格子3～6)．這表明在相同噴油脈寬條件下，噴氣脈寬的進(jìn)一步增加導(dǎo)致噴霧后期的液滴被加速．這是因?yàn)樵趪婌F后期，大量的燃油集中在噴霧頭部并已經(jīng)經(jīng)過(guò)PDPA的測(cè)量體；而噴霧后期經(jīng)過(guò)測(cè)量體的燃油含量相對(duì)較低，而氣嘴依然保持開(kāi)啟狀態(tài)，更多的壓縮空氣被噴射．由此導(dǎo)致充足氣體射流很容易對(duì)噴霧尾部的液滴產(chǎn)生進(jìn)一步加速作用．

圖10 a表明氣、油噴射脈寬比對(duì)于液滴的SMD影響較小，但仍然可以看到SMD隨著Δa-f的增加而減小的趨勢(shì)．這說(shuō)明噴氣脈寬的增加所引起的實(shí)際噴霧中氣體含量的增加會(huì)適當(dāng)促進(jìn)霧化．從采樣時(shí)間來(lái)看，液滴的SMD隨著噴霧經(jīng)過(guò)測(cè)量體的時(shí)間會(huì)有輕微的升高．而且這一趨勢(shì)對(duì)于Δa-f≥0.250的工況更加明顯．這說(shuō)明脈寬增加導(dǎo)致的氣流對(duì)液滴產(chǎn)生的加速作用會(huì)促進(jìn)液滴的相互碰撞，進(jìn)而小液滴趨于合并成更大液滴[20]．基于液滴動(dòng)量總和一致的平均速度um如圖10b所示．可以看到um與Δa-f之間存在的明顯正相關(guān)性，即噴氣脈寬的增加會(huì)提高液滴的平均速度．而且該結(jié)果在噴霧后期會(huì)隨著時(shí)間格子的增加而表現(xiàn)的更加明顯．

圖10 不同氣、油噴射脈寬比下SMD和液滴平均速度Fig.10 SMD and droplet mean velocity under different Δa -fcases

圖11 a為不同氣、油噴射脈寬比下氣流速度隨時(shí)間的變化．對(duì)于工況Δa-f≤0.250，由于氣嘴的過(guò)早關(guān)閉，氣體速度隨著時(shí)間的增加逐漸降低．當(dāng)Δa-f進(jìn)一步增大時(shí)，由于氣嘴的保持開(kāi)啟狀態(tài)以及液體含量的降低，可以看到噴霧后期(時(shí)間格子3～6)的氣流速度逐漸升高的趨勢(shì)逐漸明顯．圖11b為不同氣、油噴射脈寬比下氣、液相間滑移速度隨時(shí)間的變化．與Δa-f對(duì)于uslip的影響所不同的是，不同氣、油噴射脈寬比下的uslip既受到Δa-f的影響，也隨采樣時(shí)間的變化而表現(xiàn)出差異．噴霧頭部的uslip隨著Δa-f的增加而增大，且均小于0．隨著噴霧進(jìn)一步經(jīng)過(guò)測(cè)量體，uslip出現(xiàn)小幅度超調(diào)(uslip＞0)，并隨后逐漸降低至0．

圖11 不同氣、油噴射脈寬比下氣流速度和平均滑移速度Fig.11 Local gas velocity and mean slip velocity under different Δa-fcases

2.4 采樣位置的影響

選擇噴霧軸線上的兩個(gè)采樣位置，計(jì)算時(shí)變下的液滴尺寸-速度JPDF，如圖12所示．隨著采樣位置從30mm增加到60mm，時(shí)間格子的液滴速度分布范圍從0～120m/s降至0～90m/s．而其他采樣時(shí)間間隔內(nèi)的液滴速度也有同樣的降低趨勢(shì)．相同的采樣位置下，液滴速度范圍隨著時(shí)間的增加均降低．液滴直徑分布結(jié)果表明，不同采樣位置以及采樣時(shí)間對(duì)于液滴直徑分布范圍影響較?。畯囊旱纬叽?速度JPDF來(lái)看，不同采樣位置同樣呈現(xiàn)明顯的單峰分布特征．

圖12 時(shí)變液滴尺寸-速度JPDFsFig.12 Time-resolved droplet size-velocity JPDFs

圖13 為噴霧SMD在空間的分布．其中，Z表示軸向采樣位置，X表示徑向采樣位置．選取兩組油、氣噴射脈寬比工況條件用于數(shù)據(jù)展示，且只考慮噴霧在一側(cè)平面內(nèi)不同空間位置的SMD分布．由于噴霧形態(tài)總體呈現(xiàn)圓錐狀，在噴霧邊緣以外較大的徑向位置處無(wú)法捕捉到有效的液滴信息．因此，只統(tǒng)計(jì)并計(jì)算噴霧內(nèi)部核心區(qū)域的液滴直徑．結(jié)果表明噴霧靠近噴嘴出口的區(qū)域的液滴SMD較大，并隨著軸向位置的增加而逐漸減小．靠近噴霧軸線區(qū)域的液滴SMD明顯高于噴霧外側(cè)的邊緣區(qū)域．油、氣噴射脈寬比的增加會(huì)在一定程度上增大液滴的SMD，這主要是因?yàn)閲娚涔べ|(zhì)中液相體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)對(duì)霧化效果產(chǎn)生一定的抑制作用．

圖13 噴霧SMD分布Fig.13 Spray SMD distribution

圖14為不同采樣位置的液滴SMD與平均速度隨采樣時(shí)間的變化．在Z＝60mm的采樣位置，液滴的SMD穩(wěn)定在20μm；而在Z＝30mm時(shí)，不同采樣時(shí)間間隔內(nèi)的液滴SMD均低于20μm．這表明在一定范圍內(nèi)，噴霧在遠(yuǎn)離噴嘴位置的液滴平均直徑會(huì)大于靠近噴嘴的位置．該現(xiàn)象與此前關(guān)于空氣輔助噴霧的霧化特性研究[20]結(jié)果相一致．該結(jié)果主要由于噴霧場(chǎng)內(nèi)液滴的碰撞以及較高的液滴融合概率導(dǎo)致．對(duì)比不同采樣位置的液滴平均速度可以發(fā)現(xiàn)，靠近噴嘴的位置液滴速度明顯高于遠(yuǎn)離噴嘴的位置；而且該速度差異在初始采樣時(shí)間間隔內(nèi)較為明顯，并隨著時(shí)間格子的增加而減?。?/p>

圖14 不同采樣位置的時(shí)變液滴SMD與平均速度Fig.14 Time-resolved droplet SMD and meanvelocity under different sampling positions

圖15a為氣流速度的差異．不同采樣位置的速度差異主要體現(xiàn)在時(shí)間格子1～5內(nèi)；且靠近噴嘴的位置氣流速度更大．表明相同的工況下，噴霧過(guò)程中噴霧軸線上的氣流速度隨著軸線距離的增加而降低．

圖15 不同采樣位置下氣流速度和平均滑移速度Fig.15 Local gas velocity and mean slip velocity under different sampling positions

圖15b為計(jì)算相間的滑移速度得到不同采樣位置下的時(shí)變結(jié)果．從數(shù)據(jù)趨勢(shì)上看，Z＝30mm的uslip小于0，并隨時(shí)間逐漸增加；而Z＝60mm的uslip大于0，并隨時(shí)間逐漸減?。畬?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的結(jié)果如圖中的直線所示．計(jì)算Z＝30mm和Z＝60mm擬合直線的橫截距分別為8.5和5.2．只考慮時(shí)間格子小于5的采樣時(shí)間范圍，可知Z＝30mm的氣流速度大于液滴平均速度，而Z＝60mm正好相反．

2.5 相間滑移速度分析

Lasheras等[26]在研究中根據(jù)相間滑移速度大小對(duì)氣、液兩相射流沿著軸線方向進(jìn)行區(qū)域劃分為液滴加速區(qū)、超調(diào)區(qū)及減速區(qū)，如圖16所示．從噴嘴出口開(kāi)始，uslip先小于0；此時(shí)氣相速度大于液相速度，液滴處于被周圍氣流加速的過(guò)程．直到在某一位置時(shí)，uslip＝0；此時(shí)氣、液相間速度達(dá)到平衡，但是該平衡難以保持穩(wěn)定．之后，液滴由于運(yùn)動(dòng)的慣性造成其速度會(huì)瞬間超過(guò)氣流速度，導(dǎo)致uslip＞0；此時(shí)，超調(diào)的液滴會(huì)受到周圍氣流的曳力作用．當(dāng)達(dá)到最大值以后，uslip會(huì)逐漸減小直至接近0；此時(shí)液滴在氣流曳力作用下逐漸減速．

圖16 相間平均滑移速度分析Fig.16 Analysis of interphase mean slip velocity

根據(jù)圖15b的結(jié)果可知，在所關(guān)注的采樣時(shí)間范圍內(nèi)，Z＝30mm的uslip小于0而Z＝60mm的uslip大于0，可以認(rèn)為uslip＝0對(duì)應(yīng)的 Zuslip=0位于30mm和60mm之間．而對(duì)于變噴油脈寬和噴氣脈寬的試驗(yàn)，選取的測(cè)量位置(Z＝40mm)將較為接近 Zuslip=0．根據(jù)圖8b所示的不同油、氣噴射脈寬比下平均滑移速度可知，不同Δf-a下的uslip數(shù)值僅受Δf-a的影響而不受采樣時(shí)間的影響．當(dāng)Δf-a≈4時(shí)，uslip相對(duì)穩(wěn)定在0值附近．因此，可以認(rèn)為當(dāng)Δf-a＝4時(shí)，Zuslip=0≈40mm．當(dāng)Δf-a小于4時(shí)，uslip大于0，說(shuō)明此時(shí)的Zuslip=0小于當(dāng)前設(shè)定的采樣位置Z＝40mm；而Δf-a大于4時(shí)，uslip小于0，說(shuō)明此時(shí) Zuslip=0大于當(dāng)前設(shè)定的采樣位置Z＝40mm．上述結(jié)果表明 Zuslip=0隨著Δf-a的增加會(huì)向遠(yuǎn)離噴嘴的方向移動(dòng)，如圖16右側(cè)所示．

3 結(jié)論

采用高速相機(jī)和相位多普勒測(cè)試技術(shù)對(duì)間歇式空氣輔助噴霧特性展開(kāi)了試驗(yàn)，基于PDPA對(duì)間歇式空氣輔助噴霧進(jìn)行循環(huán)采樣，將得到的時(shí)序條件下的數(shù)據(jù)按照不同的時(shí)間格子進(jìn)行劃分，進(jìn)而表征間歇式噴霧特性隨時(shí)間的變化規(guī)律．主要結(jié)論包括：

(1) 較小的油、氣噴射脈寬比有助于加快噴霧在軸向的發(fā)展，而不利于噴霧在徑向的擴(kuò)散；隨著油、氣噴射脈寬比的增加，噴霧的徑向擴(kuò)散增強(qiáng)而軸向貫穿逐漸減弱；計(jì)算不同噴射參數(shù)以及采樣位置的液滴尺寸-速度聯(lián)合概率密度函數(shù)，結(jié)果均表現(xiàn)為明顯的單峰分布特征．

(2) 油、氣噴射脈寬比增加明顯降低液滴速度并增大液滴直徑，而氣、油噴射脈寬比對(duì)于噴霧末端的液滴具有明顯的加速作用；油、氣噴射脈寬比主要影響氣、液相間的平均滑移速度大小，表現(xiàn)為油、氣噴射脈寬比的增加導(dǎo)致滑移速度的零點(diǎn)位置向噴霧下游移動(dòng)；氣、油噴射脈寬比不僅對(duì)相間平均滑移速度的數(shù)值有影響，而且影響其時(shí)變條件下的變化規(guī)律．