用于PDPA校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器性能研究

宋 戈,連軍偉,丁振曉

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)是現(xiàn)代空間飛行及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器的重要組成部分。推力室內(nèi)的燃燒組織過(guò)程以噴注器、噴嘴將液體推進(jìn)劑霧化成小液滴為基礎(chǔ)，這一過(guò)程伴隨著復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，如何表征這一抽象過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒快反應(yīng)過(guò)程的有效控制是推進(jìn)技術(shù)研究的重點(diǎn)。通過(guò)水作為模擬介質(zhì)，模擬噴注器、噴嘴的霧化混合過(guò)程，借助流動(dòng)測(cè)量技術(shù)得到其冷態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，可以解決燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性相關(guān)的機(jī)理問(wèn)題。

噴注器霧場(chǎng)各種理化特性都具有依時(shí)性和空間各異性，研究者只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)識(shí)別其平均特征量[1]。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程需要高時(shí)間分辨率的測(cè)量手段，激光測(cè)量技術(shù)可以有效解決這些難題。激光相位多普勒測(cè)量技術(shù)(Phase Doppler Particle Analyzer簡(jiǎn)稱PDPA)可以同時(shí)對(duì)流體中粒子的速度、粒度和濃度進(jìn)行測(cè)量，是一種高效多功能測(cè)試手段[2]。

1975年，PDPA技術(shù)的理論基礎(chǔ)首次得以證實(shí)，20世紀(jì)80年代中期實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，并廣泛應(yīng)用于多相流場(chǎng)、噴霧場(chǎng)及燃燒環(huán)境等領(lǐng)域的研究工作。20世紀(jì)末，我國(guó)引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，并開始在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域拓展應(yīng)用[3-5]。

對(duì)比文獻(xiàn)內(nèi)容，粒徑參量是核心數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)必須保證足夠的粒徑測(cè)量精度。在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)光學(xué)設(shè)備本身對(duì)調(diào)校的精度要求較高，單純光路耦合過(guò)程產(chǎn)生的附加誤差就高達(dá)7%左右；同時(shí)，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)本身受環(huán)境影響較大，隨著時(shí)間推移，光學(xué)元器件的性能會(huì)發(fā)生衰減，因此需要定期調(diào)校和修正系統(tǒng)誤差。但是，由于粒徑的激光測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用起步較晚，我國(guó)尚未制定出行之有效的計(jì)量校準(zhǔn)方法或標(biāo)準(zhǔn)，所以有必要開展校準(zhǔn)工藝的研究工作。

根據(jù)計(jì)量檢定的基本量傳原理，需要配置一套粒徑基準(zhǔn)源設(shè)備開展工作。理想的設(shè)備應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定且均一的粒子，且粒子的直徑可控并具有一定的精度，最后還要滿足光學(xué)測(cè)量的基本要求。

本文著重對(duì)氣溶膠發(fā)生器的研制進(jìn)展進(jìn)行綜述，并根據(jù)實(shí)際使用條件進(jìn)行對(duì)比選擇，最后利用PDPA設(shè)備對(duì)發(fā)生器性能進(jìn)行了研究，并提出了一套性能研究方法。

1 溶膠發(fā)生器研制進(jìn)展

溶膠發(fā)生器是指在不同介質(zhì)溶劑(液體、氣體)中形成相對(duì)穩(wěn)定的液滴或固體顆粒懸浮物的專用設(shè)備，形成的混合體系被稱為溶膠。噴注器霧化試驗(yàn)時(shí)，液相粒子分布于氣相介質(zhì)，所以本文主要介紹氣溶膠粒子發(fā)生器[6]。氣溶膠根據(jù)其顆粒性質(zhì)分為異分散、多分散及單分散三種類型，見(jiàn)表1。本文主要討論產(chǎn)生單分散粒子的發(fā)生器，雖然多分散氣溶膠通過(guò)分選裝置也可以得到單分散粒子，但本文不作討論。

表1 氣溶膠分類及特性

1.1 流化床氣溶膠發(fā)生器

流化床氣溶膠發(fā)生器可以將制備好的標(biāo)準(zhǔn)單分散相固體粒子，利用流化床設(shè)備進(jìn)行分散氣浮，然后輸出形成氣溶膠。由于固體顆粒容易帶有電荷，所以在流化過(guò)程需要消除團(tuán)聚，并保持流化粒子尺寸可控和釋放均勻是比較困難的，實(shí)際其流化效果與粒子本身的形狀、硬度和濕度都有關(guān)聯(lián)。但對(duì)于火焰或高溫氣體的示蹤測(cè)量，由不燃固體形成的氣溶膠具有適應(yīng)性。原理如圖1所示[7]。

圖1 流化床氣溶膠發(fā)生器

1.2 旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器

旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器通過(guò)旋轉(zhuǎn)的盤、碗或杯向外離心加速液膜，來(lái)提供霧化所需的能量。液體被定量滴加到轉(zhuǎn)盤上，在轉(zhuǎn)盤周邊，液膜被離心力拉成細(xì)絲，最后破裂成液滴。圓盤直徑、旋轉(zhuǎn)速度、表面張力和液體流速等都可以影響液滴的直徑。然而，液滴產(chǎn)生的過(guò)程是非均勻分布的，在液相細(xì)絲尾部形成較大的液滴，而頭部則破碎成較小的液滴，雖然液滴的尺寸不同有不同的軌道，但不利于單點(diǎn)測(cè)量的PDPA設(shè)備進(jìn)行對(duì)焦。原理如圖2所示[8]。

圖2 旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器

1.3 蒸汽冷凝氣溶膠發(fā)生器

利用蒸汽冷凝技術(shù)可以得到粒徑嚴(yán)格可控的氣溶膠。其核心裝置是一臺(tái)汽化器，噴霧出來(lái)的液體經(jīng)過(guò)蒸發(fā)區(qū)域形成蒸汽，在通過(guò)冷凝器前，在蒸汽流中散布播粒中心核。在冷凝器中蒸汽緩慢而均勻的冷卻，從而在核上產(chǎn)生凝結(jié)，形成近似于均勻分布的氣溶膠。這種技術(shù)是通過(guò)控制凝結(jié)核和蒸汽濃度，并使其在控制的條件下冷凝形成標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠的，對(duì)于粒徑控制最為精確，可以形成亞微米級(jí)氣溶膠粒子，但由于存在復(fù)雜的相變過(guò)程，所以操作較為復(fù)雜。原理如圖3所示[9]。

圖3 蒸汽冷凝氣溶膠發(fā)生器

1.4 振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器

振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器的工作原理和噴墨打印機(jī)相似，如圖4所示[10]。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)小孔時(shí)，在下方將形成一定分布范圍的不均勻粒子流。當(dāng)使用方波激勵(lì)擾動(dòng)時(shí)，在適宜的振幅和頻率下，壓電傳感器(壓電晶體)形成的小孔將使不均勻流斷裂而形成均勻尺寸的粒子，粒子形成頻率將與激勵(lì)頻率相等，根據(jù)連續(xù)方程就可以得到粒子的大小。這種發(fā)生器發(fā)生的氣溶膠不僅是單分散的，而且是定量，只要對(duì)其運(yùn)行參數(shù)(供液量、激勵(lì)頻率等)進(jìn)行測(cè)量，就可以計(jì)算得到其粒徑和濃度參數(shù)，且精度較高；另外該型發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子束垂直向下運(yùn)動(dòng)，在空間位置具有固定性，便于PDPA系統(tǒng)的點(diǎn)狀激光測(cè)量體進(jìn)行對(duì)焦和定位。

圖4 振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器

1.5 單分散氣溶膠發(fā)生器對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠體系的建立，需要保證其各項(xiàng)理化特性符合被測(cè)真實(shí)霧場(chǎng)，同時(shí)要滿足光學(xué)測(cè)量的基本要求。對(duì)不同發(fā)生器粒子的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，如表2所示。

表2 單分散氣溶膠發(fā)生器對(duì)比

考慮相似性原理，振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器粒子的理化特性、折射率和應(yīng)用領(lǐng)域與噴注器研究的霧化工況具有一致性，且具有很好的濃度控制和尺寸控制能力，單一粒子束利于光學(xué)對(duì)焦，只要耦合好激勵(lì)頻率和液體流量，就能比較容易地形成穩(wěn)定且均一的單分散液滴。

2 測(cè)試條件

2.1 標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器

根據(jù)前文描述，綜合考慮，采用美國(guó)TSI公司提供的MDG-100標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器。該設(shè)備以水為介質(zhì)，產(chǎn)生實(shí)際尺寸在很小范圍內(nèi)波動(dòng)的粒子。該設(shè)備為振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器，發(fā)生粒子尺寸誤差為±2%，尺寸范圍為50～300 μm。在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)微小粒子受水質(zhì)影響較大，結(jié)合噴注器粒徑分布尺度，實(shí)際選擇了100 μm,150 μm和200 μm粒徑尺寸開展精度和穩(wěn)定性研究，并根據(jù)分析結(jié)果，選擇相對(duì)誤差較大的100 μm粒徑尺寸開展標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量、均勻性、球形度等相關(guān)研究。

2.2 PDPA系統(tǒng)

采用美國(guó)TSI公司PDPA激光系統(tǒng)(型號(hào)FlowSizer 3D PDPA)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行測(cè)量采集。該系統(tǒng)通過(guò)接收和分析穿過(guò)激光測(cè)量體的示蹤粒子的多普勒相位信號(hào)，根據(jù)該相位差和粒子的光程差關(guān)系，得到粒子在該點(diǎn)的曲率半徑。粒徑測(cè)量范圍：1～500 μm，粒徑測(cè)量精度±1%。

3 發(fā)生器的性能研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量

標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量是指一次采集過(guò)程參與統(tǒng)計(jì)的粒子數(shù)量，其中包含大量雜音，需要通過(guò)后處理得到其中的有效信息。為了更好的消除不確定性，這個(gè)參數(shù)理論上越大越好，但是受限設(shè)備本身的處理能力，需要選擇一個(gè)最優(yōu)值，保證得到的粒徑信息可靠穩(wěn)定，同時(shí)又不占用過(guò)多的設(shè)備性能。

作者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子(100 μm)進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量(簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)量)，從100提高到10 000，研究數(shù)據(jù)量對(duì)粒徑結(jié)果(D10,D20，D30，D32，D43)的影響，如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量對(duì)粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響

從圖5中可以看出粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較穩(wěn)定，隨著有效數(shù)據(jù)量的增加波動(dòng)性降低，最大值與最小值的最大誤差僅為2.54%(以D10計(jì)算)，間接證明了發(fā)生器的工作穩(wěn)定性。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)量達(dá)到3 000以后，粒徑結(jié)果穩(wěn)定性非常好。

3.2 發(fā)生粒子的均勻性

由于粒徑結(jié)果是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)識(shí)別的平均特征量，對(duì)于粒子的均勻性判定，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法獲得。PDPA系統(tǒng)本身提供多種平均粒徑結(jié)果。例如數(shù)值平均粒徑D10，表面平均直徑D20，體積平均直徑D30以及索泰爾平均直徑D32，D43。這些統(tǒng)計(jì)學(xué)粒徑結(jié)果的算法如下[11]：

根據(jù)定義式可知，如果標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器形成粒徑大小一致的標(biāo)準(zhǔn)粒子，在標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)條件下進(jìn)行累計(jì)統(tǒng)計(jì)，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果應(yīng)趨于一致。分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子(100 μm)和普通超聲霧化器產(chǎn)生的非標(biāo)霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器的測(cè)量結(jié)果各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值最大相對(duì)誤差≤5‰，而非標(biāo)霧場(chǎng)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果差別較大，證明標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的粒子均勻同一。非標(biāo)霧場(chǎng)結(jié)果在相同標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)條件下，有效數(shù)據(jù)率降低20%，這是由于非標(biāo)霧場(chǎng)的奇異結(jié)果被后臺(tái)程序篩選過(guò)濾掉了。

表3 標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器(100 μm)與普通超聲霧化器數(shù)據(jù)結(jié)果

3.3 發(fā)生粒子的球形度

1975年，德國(guó)Durst教授證明在不同位置設(shè)置的兩個(gè)探測(cè)器接收到的光信號(hào)頻率相同，但由于兩個(gè)探測(cè)器空間位置不同，導(dǎo)致通過(guò)粒子折射的多普勒信號(hào)到達(dá)兩個(gè)探測(cè)器的時(shí)間不同，信號(hào)間相位差與粒子粒徑成正比，即相位-多普勒原理[12]。Aerometrics第一個(gè)提出采用三探測(cè)器測(cè)量干涉條紋的概念，三個(gè)探測(cè)器可以產(chǎn)生兩對(duì)粒徑結(jié)果，這兩個(gè)結(jié)果相當(dāng)于從不同方向?qū)αＷ映叽邕M(jìn)行測(cè)量，對(duì)于球形顆粒可以評(píng)價(jià)被測(cè)粒子的球形質(zhì)量，對(duì)于非球形顆?？梢詫?duì)不同方向尺寸的進(jìn)行定位[13]。

在標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)條件下(3 000)，對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)粒子(100 μm)進(jìn)行一次采樣，并將所有樣本的AB，AC相位的粒徑結(jié)果差別與對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)粒徑進(jìn)行云圖繪制，如圖6所示(橫線為Diameter Dif=8 μm的輔助線)。

圖6 粒徑差別與粒徑的分布云圖

如圖6所示，粒徑結(jié)果分布比較集中(100 μm左右)，同時(shí)粒徑結(jié)果差別基本集中在±8 μm的范圍內(nèi)，根據(jù)粒徑尺寸100 μm計(jì)算，最大相對(duì)粒徑差別約為±8%，這是由于液滴在空氣中受表面張力的影響能夠保持較好的球形度。

3.4 發(fā)生器的精度和穩(wěn)定性

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子(100 μm，150 μm和200 μm)每個(gè)粒徑條件下進(jìn)行3次標(biāo)準(zhǔn)采集，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性和精度研究，限于篇幅限制僅對(duì)100 μm結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)，見(jiàn)表4。

重復(fù)性表征發(fā)生器的穩(wěn)定性，定義如下：

(1)

真值誤差表示測(cè)量結(jié)果與發(fā)生器設(shè)定值的偏差，可以表征發(fā)生器的精度，定義如下：

(2)

式中：xi為單次粒徑測(cè)量結(jié)果，μm；|x|為標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器設(shè)定粒徑值，μm；ti為真值誤差，%。

表4 100 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子測(cè)量結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可知：在100～200 μm粒徑范圍內(nèi)，最大重復(fù)性誤差為0.91%，最大真值誤差為-1.90%，均出現(xiàn)在100 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子條件下。這是由于粒徑越小，形成粒子的壓電晶體振動(dòng)頻率更高，控制精度下降，相對(duì)誤差增大。

4 結(jié)論

針對(duì)霧化試驗(yàn)，振動(dòng)孔式單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的單分散氣溶膠具有很好的適應(yīng)性和相似性，該型發(fā)生器的均勻性、球形度、精度和穩(wěn)定性滿足測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)和噴注器特性研究的基本要求。在實(shí)際使用的過(guò)程中，可以利用上述評(píng)估方法開展標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠發(fā)生器性能的相關(guān)研究[14]。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生技術(shù)開展的分析研究?jī)?nèi)容，為基于激光測(cè)量系統(tǒng)搭建的噴注器動(dòng)特性測(cè)試系統(tǒng)提供了校準(zhǔn)計(jì)量的工藝基礎(chǔ)，為類似的粒徑測(cè)量工藝(光學(xué)或常規(guī))的調(diào)校工作提供了基準(zhǔn)源和量化依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。