基于LDV/PDPA系統對某發動機噴嘴的霧化粒度研究

薛海華

摘 要：隨著科技發展，激光散射和干涉原理在測試技術方面的應用不斷發展，如激光散射應用、激光多普勒應用、誘發激光熒光技術、全息激光技術、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）功能的細化，它實現了在測定流速時，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LDV/PDPA的工作原理，對某型號的噴嘴進行粒度研究。

關鍵詞：LDV/PDPA系統；工作原理；霧化粒度

1 LDV/PDPA系統工作原理及研究方法

LDV的原理是采用激光照射運動中的噴霧微粒，激光照射到運動的微粒時發生散射，通過對入射光和散射光的頻率進行對比，得到正比于微粒速度的多普勒頻移量，通過測量頻移量，從而得到微粒的運動速度。測量過程中，激光不會對流產生干涉，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，使噴嘴由上向下運動，從而測得多個截面情況的霧化特性，進一步推算出燃油霧化度與燃油速率之間的函數關系。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。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液體總質量相等；

②液體總表面積相等（但液滴總數就不相等了）。

SMD的表達式推導如下：

假設燃油的密度為L，直徑為Di的液滴數目為ni個，那么，整個液霧的總質量為

Q=ni（π/6）ρLD （1）

假設以索太爾平均直徑（D32）來表征這群液霧，則液滴的總數目為ns，有

Q=ns（π/6）ρLD （2）

結合兩種表示方法，霧化前的總質量應相等，則有

Q=ni（π/6）ρLD=ns（π/6）ρLD （3）

又由于總表面積應該相等，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為液霧的總容積。

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速度越快。

相位多普勒/激光多普勒測速系統（PDPA/LDV）是美國TSI公司研發的產品，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點：

①試驗數據精確，一般超過達到0.1%的測量精度，通常不需要的校準，重復試驗性好，數據對外界環境（氣壓、溫度、濕度等）需求無嚴格要求。

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

③系統可測量流速裕度寬，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，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系統是二維測量系統，通過Z向移動，可實現三維測量。主要包括下列設備：

PDPA/LDV主要組成為：激光發生器、發射光路系統、接受光路系統、信號采集處理器、微型計算機以及傳輸電纜等。

2 實驗分析

燃油噴嘴綜合試驗系統，是利用PDPA/LDV系統研究航空發動機燃油噴嘴工作特性的高技術試驗系統?？蓪θ加挽F化粒度、噴口附近速度及噴霧錐角等多種液體介質的綜合試驗進行研究分析工作。本試驗中綜合試驗器由試驗臺、PDPA/LDV系統、計量系統、回油系統、燃油供給系統、引風系統、電機控制系統、操縱控制臺、數據采集系統和計算機處理顯示系統等組成。

3 霧化粒度（SMD）的試驗與分析

霧化粒度是指：假定一團霧滴直徑大小相同，其直徑為ds，這團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度，一個液滴團的平均量。油滴的燃燒速度主要與油滴的蒸發面積有關，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下噴霧的SMD值，SMD越小，液滴越細，越易蒸發和燃燒，這也是此次試驗的研究目的。通過實測不同工作狀態下的粒度值用于評估該燃油噴嘴的工作特性和質量，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指標，因而對評價霧化質量具有重要意義。

表1列出噴嘴在不同的工況下霧化粒度的試驗結果的統計。

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，SMD值隨著供氣壓力的升高明顯降低。

3.2 當供氣壓力為常量而供油壓力變化時，可以看到：

①當沒有加氣時，SMD呈減小趨勢，當供油壓力增加0.35MPa時，SMD基本趨于穩定；

②當加氣后，SMD數據有一定的波動，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量。