單液滴蒸發測試及數據處理方法研究進展

王 方，武召陽，任 杰，高 涵，金 捷

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）

0 引言

航空發動機燃燒室中的液體燃料霧化成液滴后蒸發燃燒，蒸發過程直接受到溫度、粒徑等因素影響，而單液滴蒸發特性對燃燒室兩相燃燒組織設計、燃燒效率、污染排放等具有重要意義。

國內外學者對液滴蒸發過程做了大量研究工作，主要針對不同的環境溫度、環境壓力及來流速度對液滴直徑與液滴溫度產生的影響。普遍采用高速攝影和圖像處理技術對液滴蒸發過程的物理過程進行其隨時間的研究，同時利用液滴懸掛裝置配合熱電偶或光學裝置對液滴溫度進行測量。Javed 等[1-3]研究得到了液滴蒸發與溫度、壓力之間的關系，同時發現煤油液滴蒸發時存在微爆現象。Ghata[4]研究表面張力對液滴蒸發的影響，發現表面張力沿界面方向存在的梯度使液滴界面溫度不均勻，即Marangoni 效應。該效應下液滴內的對流換熱增強，蒸發更快，液滴溫度較高。同時懸掛絲直徑越大，Marangoni 效應愈明顯[5-6]。李興剛等[7]經對癸烷、Jet-A、Jet-A1 的替代燃料液滴直徑分布和速度的測量，迭代得到了蒸發常數K的d2定律，為強迫對流條件下的液滴蒸發提供了一套有價值的數據。胡鵬[8]經試驗發現液滴升溫速率隨對流強度增加而增加，液滴溫度升高后擴散系數增加，液滴壽命顯著減短。Dali Yang 等[9]比較了不同環境溫度下純煤油液滴與煤油凝膠液滴的蒸發率。由于煤油成分極其復雜，超臨界狀態蒸發研究以試驗為主[10]。在研究液滴蒸發特性方面，王方等[11]通過試驗發現不同對流速度下普通煤油的蒸發速率均大于航空煤油的蒸發速率，這說明普通煤油的蒸發規律不能完全適用于航空煤油。Santosh G 等[12]分別選用揮發性差異較大與相近的組分組成的液體燃料液滴，耦合存在較重組分與較輕組分的自由流，研究對雙組分液滴蒸發特性的影響。龔景松等[13]發現單液滴煤液化油的蒸發特性介于煤油和柴油之間，蒸發時間與著火延遲時間隨環境溫度的升高而縮短，而液滴直徑增大會導致蒸發時間和著火延遲時間增長。

本文對較新的單液滴蒸發測試技術、數據處理方法、造成蒸發試驗誤差的因素進行總結，旨在為單液滴蒸發試驗裝置的設計和測試技術的研究提供參考，為液滴蒸發試驗開辟新的研究思路。

1 不同液滴蒸發裝置

一般情況下，試驗控制系統分為計算機、液滴生成、溫控、液滴推進及工控機5 個模塊。計算機模塊主要負責溫度、圖像數據流的采集及圖像處理；液滴生成模塊負責液滴的生成及懸掛；溫控模塊負責試驗容腔的加熱和溫度維持；液滴推進模塊負責將生成的液滴送至高溫試驗區域；工控機模塊負責控制液滴推進過程中步進電機的運作。

1.1 液滴生成方法及掛滴技術

通常由微量進樣器提供液滴，液滴聚集在針頭末端毛細纖維的尖端，并將液滴附著在掛絲上，如圖1所示[14]；文獻[15]提到液滴發生器通過調節輸出矩形波電壓信號的電壓幅值和高電平持續時間來調節發生器噴射液滴的穩定性，產生的液滴最大直徑誤差不超過1%，液滴自由下落并最終到達石英掛絲焦點位置時間小于0.05 s；文獻[16]中液滴供給是由5 ml 微型注射器通過軟管與毛細金屬管相連，液滴最終懸停在金屬管管口處，如圖2 所示，該方式一般用于掛滴法。

圖1 液滴供給[14]

圖2 液滴懸停[16]

國內外實現空間中固定液滴主要方法有飛滴法、懸滴法、掛滴法等[17]。飛滴法[18-20]的原理是液滴生成后做自由落體運動，優點是完全排除了掛絲影響，缺點是液滴運動會引起周圍流場干擾，測量過程不連續[18]；懸浮法[21-23]的原理是通過氣懸、聲懸或磁懸浮等方法克服液滴自身的重力，從而達到液滴懸浮蒸發的效果，優點是消除了掛絲的影響，缺點是液滴會上下浮動，液滴圖像測量不方便，文獻[21]即用聲懸法進行單液滴蒸發研究；掛滴法的原理是通過微量注樣器提供液滴，用纖維絲或熱電偶（細石英纖維絲[24-25]、十字叉絲[26-27]、K型熱電偶[28]、R 型熱電偶絲[29]）懸掛液滴，優點是懸掛的液滴可達到穩定蒸發的效果，且便于試驗測量，缺點是液滴尺寸稍大，測量結果受到掛絲的影響。

1.2 掛滴式蒸發試驗裝置

在3 種掛滴方法中，由于掛滴法不考慮輻射換熱對液滴蒸發的影響，易試驗測量，掛滴時主要采用單根石英絲，端頭設計成橢球形進行掛滴，被廣泛應用于研究中，然而由于重力的影響，液滴在蒸發過程中非球形的程度較大。

為減小上述問題的影響，鈴木真人等[30-31]設計的液滴蒸發裝置中首次采用交叉絲方式來懸掛液滴，使得液滴形狀更接近球形，如圖3 所示。

圖3 鈴木真人等搭建的蒸發試驗裝置[30-31]

加拿大Verwey 等[32]搭建的高溫高壓高湍流單液滴蒸發裝置采用垂直叉絲方式來懸掛液滴，可生成直徑約為0.1mm 的液滴，是目前文獻中可見的最小直徑液滴，如圖4 所示。

圖4 Verwey 等搭建的蒸發試驗裝置[32]

現將不同試驗環境下的蒸發試驗裝置做如下總結。

1.2.1 高溫蒸發試驗裝置

華中科技大學張郁等[33-35]設計的高溫單液滴掛滴式蒸發試驗裝置，可用于1200 K 的高溫環境，如圖5所示。

馮立巖等[36]搭建的單液滴掛滴式蒸發試驗裝置，原理與張郁等[33-35]的相似，可用于923K 的溫度環境，如圖6 所示。

圖6 馮立巖等搭建的試驗裝置[36]

Watanabe 等[37-38]設計的液滴蒸發試驗裝置可用于1073 K 的溫度環境。

由此可見高溫蒸發試驗裝置的設計原理相似。在試驗過程中應用一些輔助技術將提升試驗裝置的精準性，例如Gan 等[39]的試驗裝置（如圖7 所示）采用同步觸發技術，即在液滴蒸發開始時刻，同時觸發液滴溫度記錄器和高速攝影進行記錄。

圖7 Gan 等搭建的試驗裝置[39]

1.2.2 高溫高壓蒸發試驗裝置

對于高溫高壓環境下的液滴蒸發研究，國外Hrioyasu 等[40]在高溫高壓下對丁烷和乙醇進行了試驗；Ghassemi 等[41]搭建的高溫高壓煤油液滴蒸發試驗臺可實現高溫873K、高壓0.1～2.5 MPa 的要求，液滴直徑約為1mm，如圖8 所示。以上試驗得到了較為系統的試驗數據。

國內目前主要傾向于理論模型優化，且多局限于低壓環境，如蘇凌宇等[42]對低壓環境及壓力震蕩環境下液滴的蒸發特性進行分析。而對高溫高壓環境下液滴蒸發特性缺乏細致研究。

劉松等[43]搭建了高溫高壓煤油液滴掛滴式蒸發試驗裝置，最高壓力可達到10 MPa，溫度可實現300～900 K 的調控，原理如圖9 所示；靳樂等[44]搭建的試驗臺可實現4 MPa 壓力的要求。

圖8 Ghasssemi 等搭建的試驗裝置[41]

圖9 劉松等搭建的高壓試驗裝置[43]

二者均為目前國內能實現高壓環境的試驗裝置，但試驗原理有所不同。劉松等搭建平臺的試驗原理是在同一高壓環境下設置高、低溫2 個試驗空間，在低溫區生成的液滴通過機械結構迅速移入高溫環境，研究高溫高壓的液滴蒸發特性；而靳樂等[44]的超臨界環境是由壓力和溫度可調控的柱形容腔提供，不設置高、低溫分離空間，直接采用壁面電熱對容腔上方懸停器上的液滴進行加熱，選用高壓氮氣對容腔進行加壓，完成試驗。原理如圖10 所示。

圖10 靳樂等超臨界蒸發試驗原理[44]

1.3 不同試驗容腔設計

試驗容腔設有觀察窗口，用于投放高速攝影鏡頭與背景光源。有對流要求時，試驗通道貫穿整個容腔。

研究液滴超臨界蒸發特性時，超臨界環境由溫度和壓力可調的柱形容腔提供，容腔外包裹硅酸鋁纖維進行保溫，壓力控制由壓力變送器、傳感器、調節閥和控制儀共同完成[45]。研究液滴高溫高壓下的蒸發試驗時，設計的試驗容腔為高溫高壓容腔[46]；研究高溫常壓環境下的液滴蒸發特性時，試驗容腔的形狀一般為圓柱體[47-48]或長方體[49]，腔內固定有加熱模塊，腔外置有溫控裝置，試驗容腔內部四周和底部均附有保溫材料，以減少傳熱損失。對于有對流要求的試驗，試驗容腔設計成圓柱型或矩形通道，一側與氣流連通，另一側用于液滴供給裝置 的 進 出[18，49]。而 在 常 壓及低溫環境下，試驗容腔一般不用保溫材料[16]，如圖11 所示。

圖11 加熱箱體設計[16]

1.4 液滴推進模塊

液滴生成后，有些試驗系統的液滴生成位置即為液滴圖像測量位置（圖3～5），消除液滴推進過程中的干擾因素；有些則需要液滴掛好后通過滑軌[47]（圖6）或3 自由度位移臺[45]或步進電機-滾珠絲杠模塊[50]將其迅速推入高速攝影焦點位置。上述方法中3 自由度位移臺的調節精度可達到0.005mm，如圖12 所示；步進電機-滾珠絲杠模塊運送液滴時間短的優點突出，同時運動精度高，如圖13 所示。

圖12 3 自由度位移臺[45]

圖13 步進電機-滾珠絲杠模塊[50]

2 溫度測量方法介紹

從試驗角度看，研究主要集中在高溫下液滴的蒸發特性，在輻射加熱條件下液滴蒸發的試驗研究[51]在國內外開展均較少。在測量多組液滴的溫度等熱化學量方面是一個挑戰，有拉曼光譜、形態依賴共振（MDR、彩虹折射法和激光誘導熒光（LIF）等方法[52]。上述方法都有其各自的優點和局限性，而這取決于其基本原理。例如，對溫度敏感的熒光團發出的熒光信號除了對溫度有一定的依賴性外，一般還對其組成有一定的依賴性。在液滴溫度的測量方法中，紅外、雙色激光熒光法等測量方法比傳統研究方法有明顯優勢。傳統測量液滴溫度方法一般選用熱電偶，文獻[18]中直徑為200 μm 的液滴直接掛到熱電偶節點上，該熱電偶可測量液滴溫度，同時在液滴附近放置另一個熱電偶測量氣相環境溫度，如圖14 所示。

圖14 傳統液滴溫度測量[18]

紅外熱像儀或紅外攝像機的溫度測量原理是基于輻射。紅外攝像機捕捉1 個表面的紅外發射信號，并預先校正，以轉換在成像平面的每個像素的輻照強度為1 個溫標。紅外測溫的優點是可連續測量液滴在整個蒸發過程中的溫度變化，無接觸測量，對液滴傳熱無影響，測量過程簡單；但不同于普通紅外測溫對象的是，球形半透明的液滴的表面曲率和工質輻射物性等參數在液滴不同狀態、不同位置下存在差異，故液滴表面曲率會影響表觀發射率，需要對測量溫度進行修正。目前對液滴表面紅外測溫的研究大多未考慮上述提到的差異影響，僅根據工質設置發射率，文獻[53]中使用的紅外攝像機（FLIR SILVER 校準范圍為-5～200 ℃，精度為±1 ℃）捕獲，可同時獲得液滴溫度和大小信息。紅外攝像機耦合顯微鏡變焦鏡頭（FLIR G3-F/2）專門用于傳輸中程紅外波長，該鏡頭放大倍數為3，工作距離約為40 mm。在液滴紅外熱成像上畫1 條直徑線，將線上的平均溫度作為瞬態溫度，但該方法未考慮液滴邊緣效應。紅外裝置如圖15 所示。

圖15 紅外攝像機（耦合顯微鏡頭）[53]

圖16 紅外測量試驗裝置[54]

文獻[54]中用紅外攝像機（FLIR SC 5600）配備三腳架和G3 F/3.0 微距鏡頭來獲取水滴團以及水滴團下水層的圖像。分析紅外熱成像發現，水面懸浮液滴群的液滴頂部溫度最低。該裝置如圖16 所示。同時使用絕對誤差約為0.02 K 的接觸探測器配置的小試管來直接測量水溫。2 種測量方法的結合使得對水的紅外測量的絕對試驗誤差僅為0.16 K。

文獻[47]中研究了紅外激光加熱下液滴的蒸發特性，選用的紅外攝像機型號為Flir-SC620。紅外熱像儀獲取液滴溫度的測量精度為±2%。由于液滴表面表觀發射率從中心到邊緣逐漸下降，會產生邊緣模糊效應。試驗裝置如圖17 所示。

圖17 試驗裝置[55]

由Lavieille 等[56]發 起的雙色激光誘導熒光（2CLIF）被用來表征液滴溫度。文獻[57-58]采用雙色激光誘導熒光法測量溫度，裝置如圖18 所示。目前基于LIF 的溫度測量的可行性已經深入地研究了幾種烷烴混合物（異己烷、正庚烷、正癸烷、正十二烷和正十六烷）。為了表征液滴蒸發速率和速度，將溫度測量與基于定量陰影成像的有效方法相結合。

圖18 雙色激光誘導熒光法[57-58]

上述傳統與新興方法均存在優缺點，例如激光彩虹測量方法目前實現了對水及無水乙醇進行液滴蒸發的測量，其余燃料如煤油、航空煤油因物性參數較為復雜，未開展相應研究。另外，傳統測量方法試驗爐溫度可達1200 K，而新型方法對試驗爐的要求較高，溫度可設范圍較低，需對試驗爐改進設計。

3 液滴成像方法

高速攝影相機（圖1、3～7、12）和CCD 相機作為傳統的液滴成像工具應用廣泛，成像系統易搭建且測量簡單。相機成像條件需配備背景光源，并在加熱容腔的前后兩側開設相機及光源投放窗口，窗口處安裝石英玻璃以隔絕外界環境。對于高速成像，乙醇的幀率為1000 幀/s，煤油和柴油的幀率為3000 幀/s。空間分辨率在每個像素被增強到2 um 時使用顯微透鏡為高速和紅外相機，進一步的細節在文獻[59]中說明。但在高溫環境下該方法的圖像采集精度不能達到試驗高精度的要求，在低溫環境液滴蒸發量小時，不能得到液滴直徑精確的微小變化，同時由于高速攝影數據采集量較大，人為篩選圖像會產生一定的誤差。Perrin[60]采用同步攝像方法得到了液滴的尺寸及速度。

相對于上述傳統方法，新興的激光彩虹方法具有高靈敏、高分辨率的優點，可用來測量液滴（柱）粒徑分布、溫度、濃度以及折射率等參數，測量的液滴直徑達到微米量級，測量的直徑變化可到納米量級。彩虹信號采集的原理是采用高速線陣CCD，與面陣相機相比具有成本低及采集頻率高的優點[16]。彩虹測量技術自提出以來，很多研究學者采用該方法來測量液滴直徑微小變化，韓香娥[61]在彩虹測量理論利用Airy 的基礎上，結合彩虹的ripple 結構完成了對直徑及折射率微小變化的研究；Saengkaew 等[62]用該測量方法對液滴直徑隨溫度變化情況進行了分析驗證；Promvongsa J 等[63]應用彩虹的Airy 理論，通過彩虹測量方法研究了水和乙醇混合液滴的蒸發情況。然而，彩虹測量方法作為精密測量方法，對試驗環境要求較高，搭建試驗臺相對高速攝影而言較困難。

4 圖像處理技術

為了獲得液滴蒸發曲線，趙鵬等[14]分別采用基于Image Pro 軟件測量技術和Matlab 形態學原理對液滴圖片進行處理，發現基于Image Pro 軟件得到的液滴歸一化直徑偏大，而Matlab 圖像處理結果更為準確。在提取液滴直徑過程中，懸掛于熱電偶或者石英絲上的液滴并非規則球形，同時掛絲也影響液滴數據的提取，這是數據處理中的難題。此時多采用將掛絲與液滴接觸的地方直接剪去，誤差較大。目前獲取液滴直徑數據的方法有如下幾種。

4.1 利用液滴投影面積計算

張郁等[33-35]在處理熱電偶絲懸掛液滴圖片時，先利用Matlab 程序直接剪去熱電偶絲，然后提取感興趣區域，對圖像進行二值化獲取液滴投影部分的像素值，進而求出半徑，數據處理原理如圖19所示。

圖19 張郁等處理液滴圖像[33-35]

4.2 利用液滴面積積分求出液滴表面積來折算

Manjunath 等[64]沒有剪去石英絲，直接從圖像獲取參數，利用公式計算液滴表面積，之后用式（1）、（2）計算液滴直徑。該方法如圖20 所示。

4.3 利用液滴面積積分求出液滴體積來折算

采用Matlab 程序剪掉熱電偶絲，利用積分法計算液滴體積，從而求得液滴直徑[36，43，65]，該方法計算精度較高，可達到±2.7%，原理如圖21 所示。

圖20 Manjunath 等計算液滴直徑方法[64]

圖21 付耿等計算液滴直徑方法[36，43，65]

4.4 統計像素點面積大小而求

文獻[50]中先通過形態學圖像處理方法剪掉熱電偶絲，建立圓形結構元，通過統計像素點面積大小，從而求得液滴直徑，原理如圖22 所示。

圖22 液滴圖像處理過程[50]

4.5 取相同截面面積下圓形直徑折算

文獻[44]通過Matlab軟件提取液滴部分像素點，計算液滴部分的面積，折算該面積下液滴直徑作為需要研究的液滴尺寸，原理如圖23 所示。

圖23 液滴直徑計算原理[44]

4.6 采用光學方法計算

采用激光彩虹測量方法[16]，通過1 階彩虹ripple結構來測量液滴直徑和ripple 結構平移時對應的相位差，以此實現液滴直徑微小變化的測量。均勻球1 階彩虹fripple與直徑d之間的線性關系如圖24 所示。計算條件m=1.332；角度為137～145.2°；角寬度8.2°；FFT 數據點4096；直徑1000～2000 μm。

圖24 均勻球1 階彩虹fripple與直徑d 關系[16]

5 試驗誤差分析

對于紅外熱像儀來說，液滴溫度方面產生的誤差主要為儀器誤差[54]，根據分析的發射率來修正。

液滴尺寸測量中的誤差主要由以下因素引起：（1）液滴尺寸換算誤差；（2）掛絲方式帶來的誤差；（3）掛絲帶來的誤差；（4）圖像測量誤差。其液滴生成誤差主要為微量移液器原有誤差，試驗液滴體積為2.0 和1.0 時誤差分別為1.5%和2.7%。趙鵬等[14]發現，采用K 型熱電偶掛滴法擬合得到的液滴直徑大于采用十字叉絲掛滴法得到的，如圖25 所示；同時指出K 型熱電偶對液滴直徑測量影響較大。文獻[18]中介紹液滴生成器生成的液滴直徑誤差不超過1%；而采用掛滴法，掛絲經過液滴內部會導致液滴體積相對擴大，掛絲穿過液滴中心位置時會產生最大的體積相對誤差，可達到7.26%；圖像測量時的直徑由像素確定，由像素引起的相對誤差為1.03%～3.75%，文獻[50]中采用形態學圖像處理技術剪掉熱電偶絲誤差為4.35%，低于文獻[66]中剪掉熱電偶絲的誤差6.69%，而文獻[18]中的液滴直徑誤差范圍控制在±4%以內。因此在尺寸測量方面產生的誤差可制定出試驗中可行的規則，以保證試驗的準確性及精度。

圖25 采用不同掛滴法液滴歸一化直徑平方隨時間變化[14]

6 總結與展望

本文針對液體燃料蒸發特性試驗及數據處理技術，總結綜述了國內外最新研究成果。隨著測試技術的發展，對測試精度提出了更高的要求。

在各類液滴蒸發試驗裝置中，高溫高壓對流等與實際應用相符的復雜環境的測試越來越成為主流。除了液滴直徑變化，液滴溫度等參數的測量研究逐漸增加。在液滴溫度的測量方法中，紅外、雙色激光熒光法等測量方法較傳統研究方法而言有明顯優勢。

隨著測試技術及數據處理方法的發展，實驗誤差分析越來越重要。傳統誤差中，測量儀器誤差、液滴尺寸換算誤差、掛絲方式帶來的誤差、圖像測量誤差等需要規范控制。新的測量方式對誤差控制帶來了新的研究需求。對航空煤油蒸發特性試驗研究的結果及其誤差仍然需要進一步分析

新興測試技術存在廣闊的發展空間，在燃料種類、高溫高壓對流環境的構建等方面需要進行深入的拓展研究。蒸發特性和燃料物性相結合，發展高精度寬適用范圍的我國航空燃料蒸發模型，可以為航空發動機燃燒室數值模擬模型研究提供基礎。