1 引 言
燃油喷嘴喷射后的雾化特性直接影响到其燃烧效果。如果雾化效果不好,会有着火困难、火焰稳定性差、火焰温度较低、燃烧不易完全等问题。评价喷嘴设计质量的一个关键指标就是喷嘴雾化性能的好坏。为了设计出高性能喷嘴,就必须进行喷嘴雾化特性测量。
喷嘴雾化颗粒粒径的大小与分布是喷嘴雾化性能参数中最为重要的参数之一。对于喷嘴雾化粒径的测量,最初都是采用先取样再借助显微照相或强光源作直接拍照的方法。由于这种方法测量繁琐,计数工作量大,因此从70年代末80年代初开始被逐渐发展起来的、以光散射理论为基础的光学测量法所取代。早在1978年RayLeigh进行了液体射流破碎的研究工作。其后Weber.Jyler对其研究成果进行了扩展和改进,他们考虑了液体黏性的影响。近年来对喷嘴雾化日趋成熟,Ja-YeKoo和Jay K.Martin[1]对瞬态柴油喷雾的粒径分布和速度场进行了研究。S.V.Sankar和A.Brena de la Rosa[2]研究了喷注压力液体流速,气液的相对速度和缩进空穴对同轴式火箭喷嘴的液体雾化的影响。国内,周猛[3]用Malvern粒度仪研究了旋流式喷嘴的雾化场。目前采用激光作为光源的光学法已成为颗粒测量的主要手段。英国Malvern公司生产的Malvern粒度就是一种通用的实验室测量仪器,但其价格昂贵,测量区域固定,在环境比较恶劣的喷嘴雾化现场使用有一定的局限性。本文介绍了一种适用于喷嘴雾化实验要求的激光衍射散射测粒装置。并在数据处理中引入了分布函数,从而实现了无干扰、快速、在线测量雾化液滴粒径大小及分布。
2 测量装置和原理
实验装置简图见图1:
激光测量法的基本原理是,一束光穿过一颗粒系(稀相)由于受到颗粒的散射和吸收,其散射光与颗粒的大小及浓度相关,根据所测的散射光强度,求得颗粒系的粒径大小及分布。
激光理论基础是米氏理论,米氏理论是对于均匀介质中的各项同性的单个介质球在单色平行光照射下的麦克斯韦方程边界条件的严格数学解。当完全偏振光照射到一球形颗粒上时,如图所示。
对球形颗粒,振幅函数S1(θ)和S2(θ)Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数,其表达式为:
其中称为Mie系数,是m和α的函数,而πl和τl与散射角θ有关,分别由下列表达式表示:
其中,Ψ1(z)和ζ1(z)为半整数阶Bessel函数和第二类Hankel函数的函数(z可以是α或mα),其中Pl(cosθ)和Pl(1)(cosθ)是关于cosθ的Legendre和一阶缔合Legendre函数。
Mie理论是一切均质球形颗粒的一般散射规律。当散射颗粒粒径的线度远大于激光波长时,Fraunhofer衍射理论解给出与Mie理论相近似的结果,此时的散射称衍射散射。
假定颗粒产生的衍射光符合Fraunhofer衍射理论,照射到光电探测器后,在光电探测器获得的光能振幅分布。
光电探测器由30个半环组成,对其在光电探测器靶面上进行积分可得衍射光在光电探测器各环上的光能为:
3 数据处理方法
大量的试验研究证明,在生产与科研的实践中,很多颗粒场的分布都是有一定规律的,常见的颗粒场分布数学模型有:R-R分布函数,正态分布函数,对数正态分布函数,独立模型分布函数等。其中R-R分布函数最适合描述喷雾形成的液滴[4]。R-R分布函数是一种概率分布函数。其形式为
其中R代表颗粒直径在D以上的累积重量分数,X称为尺寸参数,它表示大于这个尺寸的颗粒的累积重量占36.8%,X的值的大小反映了颗粒尺寸的大小;n称为分布参数,它反映了颗粒直径的分散程度,n越小,分散度越大,n增大时,颗粒趋向于单分散。
只要给出了参数X和n的数值,其分布规律就完全确定了,按下式可求得颗粒在该直径区间所占的重量百分比:
其中Dil和Diu分别代表第I个直径区间的直径上下限。将算得的尺寸分布代入式:
θn———光电探测器每环对应衍射角,
Di———第I个直径区间的平均直径
λ———波长(半导体激光:6350A度)
求出相应的光电探测器个环衍射光能分布列向量的计算值Ec,然后把衍射光能分布的计算值Ec与测量值Em进行比较,求出二者之间的误差,即计算目标函数
目标函数值反映了光能分布的测量值与计算值之间的接近程度,调整参数X和n的值,可以得到不同的目标函数值。这样计算机通过寻优搜索可找到最佳的X和n的值,使目标函数达到最小。这时所对应的尺寸分布就是所求的尺寸分布。
另学者A.B.Yu和Standish研究JohnsonSB函数可以很好地拟合R-R分布函数和对数正态分布函数等,并且从统计学上证明了SB函数可以表示任何单峰的粒径分布函数[5]。SB函数的数学函数式为:
4 实验数据结果及讨论
本文测量了不同油压、气压的工况下超声波喷嘴雾化场的粒径分布。气压的变化范围是30g/s、45g/s、60g/s(罗茨风机的供气流量)。油压的变化范围是0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa。为了简化图表,本文采用雾化索太尔粒径D32来表示某工况下的粒径分布。其中索太尔粒径D32和粒径分布函数关系如下:
图2给出了根据实测数据反演所得各工况下索太尔平均粒径。
4.1 气压对雾化粒子平均粒径影响
由实测数据可知,一般规律为油压一定时,雾化粒子的索太尔平均粒径D32随气压的增大而减小。这是由于气压升高带来出口气流增加,加大对油膜的剪切作用。油压在0.2MPa以下时,这种现象比较明显。但我们也观察到当油压在0.3MPa附近时,增大气压对雾化效果的改善就不太明显了。随着油压的进一步增大到0.5MPa,增大气压对雾化粒径的影响又增大了。这表明气压的增高对雾化粒径的影响不是线性的,而是存在着一段最优雾化区域值(和确定油压相配合)。
4.2 油压对雾化粒子平均粒径影响
由实测数据可知,一般规律为在气压一定时,雾化粒子的索太尔平均粒径D32随油压的增大而减小。这是由于油压升高带来油的流速增大,摩擦力也随之增大,燃油分子间作用力减小。供气流量在45g/s以下时,油压小于0.25MPa时,这种现象比较显著。当油压在60g/s附近时,增大油压对雾化效果的改善就不太明显了。这表明油压的增高对雾化粒径的影响也不是线性的,而是存在着一段最优雾化区域值(和确定气压相配合)。
综上所述,气压和油压对超声波喷嘴的雾化效果的影响较为显著,但其原理复杂,影响作用不是线性关系,想要获得较理想的雾化效果(即在同等雾化平均粒径下,气压油压最小),需要用具体的喷嘴实验来获得。
5 结 论
通过对实际超声波喷嘴雾化场粒子尺寸分布的测量,可以得到以下几点结论:
5.1 激光衍射法是一种行之有效的颗粒测量方法;
5.2 根据激光衍射法设计的在线测量系统,可方便的测量超声波喷嘴雾化形态;
5.3 通过实测数据可知雾化液滴的各种平均直径随着雾化压力的提高而减小,而同时这种减小又是有限度的,当压力增大到一定程度后,雾化粒径分布趋于平缓,这是单纯靠提高压力已不能达到减少雾化液滴直径的目的。
参考文献:
[1]Ja-Ye Kao and Jay KMartin.Droplet Sizes and ve-locities in a Transient Diesel Fuel Spray SAE TechNIcalPaper Series.1990.
[2]San Kar S.V.A Brena de la Rosa,Lsa Kovic A andBachalo W D.Liquid Atomization by Coaxial Robet lnjec-tors.AIAA 91-0691.
[3]周 猛.液体火箭发动机企业同轴喷注器雾化特性和激光散射测粒技术研究。国防科技大学博士论文,1992.
[4]王宝亮,孙志远,龚允怡.液体燃料颗粒测量技术的研究.小型内燃机,1999.1.
[5]YU A.B.and Standish N.A.study Of particle sizedistribution.PowderTechnology,1990,62(2).
[6]王乃宁,等.颗粒粒径的光学测量技术及应用.原子能出版社,2000.
作者：周 文,陆 勇,王式民(东南大学热能工程研究所,江苏南京 210096)
