汽油液膜噴射和圓噴射霧化過程的PIV測量對比研究

劉 剛,汪 洋,許 翔,王志強,董素榮,皮 俊

(1.軍事交通學(xué)院汽車工程系,天津 300161;2.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室,天津 300072;3.軍事經(jīng)濟學(xué)院襄樊分院,襄樊 441118;4.軍事交通學(xué)院訓(xùn)練部,天津 300161)

0 引 言

噴霧過程是將液體通過噴嘴噴射進入氣體介質(zhì)中,使之分散、并破碎成小顆粒液滴的復(fù)雜力學(xué)過程[1,2]。噴射液體的破碎霧化過程大體分為圓形射流(簡稱圓射流)和液膜射流兩種形式[1]。圓射流以連續(xù)實芯液體的形式從噴嘴噴出,受外界氣體的擾動作用,其表面會形成一定模式的振動波,表面波的振幅逐漸擴大,最后破裂成液片和大顆粒液滴,典型代表如孔式噴嘴噴射,主要應(yīng)用于車輛發(fā)動機、鍋爐、航空航天運載工具等領(lǐng)域[1];在車輛發(fā)動機領(lǐng)域,由于雙孔噴油器直接平行噴射兩束距離很近的液柱,霧化過程緩慢,貫穿距離較長,且噴射量較大,一般多用在進氣道噴射汽油機上。液膜射流以呈環(huán)狀空芯錐形液膜的形式從噴嘴噴出[2],液膜受外界氣體的擾動作用而在其表面形成相對強烈的振動波,波幅逐漸增大并在射流的頂端破碎成線、帶或環(huán)狀,隨后破碎成大量細小液滴,最終完成霧化過程,其霧化程度與噴嘴的設(shè)計有直接關(guān)系,代表噴嘴主要有軸針式噴嘴、渦流噴嘴和轉(zhuǎn)杯式噴嘴。圖1為高壓渦旋噴油器噴射出的油膜破碎和霧化的原理圖[3],燃油從噴孔噴出后經(jīng)切向狹縫伸展成空心圓錐形的燃油薄膜,厚度為2h,噴嘴處的初始噴角為2θ,長度為Ls。液膜射流廣泛應(yīng)用于制衣、霧化干燥、霧化冷卻、農(nóng)業(yè)灌溉、燃氣輪機和航天推進器等領(lǐng)域[1],在車輛發(fā)動機領(lǐng)域,渦旋噴嘴主要依靠噴孔周圍的切向狹縫來形成燃油噴射的切向速度分量,把壓力能有效轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)力矩,從而一方面促進了霧化,另一方面又限制了油束的貫穿距離,故在缸內(nèi)直噴發(fā)動機上得到了廣泛的運用[3,7]。

圖1 燃油薄膜破碎的基本原理Fig.1 Schematic diagram of the shattering process of oil-film

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of the experimental facilities

目前對圓射流和液膜射流液體破碎霧化機理的研究,以理論方面的研究居多,且還處于積累發(fā)展階段[4～6],主要是進行建立在納維-斯托克斯方程基礎(chǔ)上的線性穩(wěn)定性理論分析,結(jié)果具有很大的局限性、不穩(wěn)定性。學(xué)界的最終目標(biāo)是采用非線性穩(wěn)定性理論,得到基于雷諾方程的非平行圓射流或液膜射流噴射進入可壓縮氣流中的時空模型[1]。本實驗在國內(nèi)首次利用粒子圖像速度儀(PIV)測量研究了在相同噴射壓力下渦旋和雙孔兩種典型噴嘴的射流過程,通過對比實驗可加深對液膜和圓噴射兩種噴射模型霧化機理的認識,為理論研究提供有力依據(jù)和參考。該PIV設(shè)備的工作模式為二維、雙幅/雙曝光,對相隔一定距離,布置在同一軸線上的渦旋噴嘴噴油器(屬液膜射流)和雙孔噴油器(屬圓射流)的噴射霧化過程進行拍照分析。由于汽油的揮發(fā)性較好,霧化良好時粒子平均直徑一般為微米量級,可以基本滿足作為PIV測量的示蹤粒子的條件,不用再挑選添加示蹤粒子添加劑;同時,由于PIV圖像的直觀可視化,還可直接得到噴霧錐角、貫穿度等重要參數(shù),方便得到噴霧宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。但是目前由于PIV技術(shù)的局限性所限,評價霧化質(zhì)量的參數(shù)--索特平均直徑[1]不能直接測量得到。

1 實驗裝置及方法

如圖2所示,實驗裝置大體可分為噴油系統(tǒng),單片機控制系統(tǒng),上位機,以及PIV主機四個部分,噴油環(huán)境為封閉室內(nèi)室溫環(huán)境。

噴油系統(tǒng)由盛有汽油的封閉容器、浸入其中的直流電機油泵、塑料密封管路、壓力表以及水平固定在同一豎直支架上的兩個噴油器組成,上面的為渦旋噴孔噴油器,下面的為雙噴孔噴油器;兩個噴油器都布置在支架中心線上,支架豎直中心線與地面垂直并經(jīng)過兩噴油器的噴孔中心,兩噴油器的幾何中心線相距65mm。噴油裝置參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧裝置參數(shù)Table 1 The parameters of spray facilities

PIV系統(tǒng)參數(shù)如表2所示,實驗前水平調(diào)整激光器,使光軸與兩噴油器中心軸平行且穿過兩噴嘴中心連線的中點,激光器鏡頭端距豎直支架水平距離約為2.5m,調(diào)整激光片光源方向和厚度,使其豎直切過兩噴孔的噴孔中心,且光片厚度約為1～2mm;實驗開始時,調(diào)整并設(shè)置PIV系統(tǒng)dt為 30μ s,接通汽油泵電源使其工作,油路中的壓力迅速升高,當(dāng)油壓升至固定值并保持不變時,壓力表顯示為0.32MPa,開啟單片機電源和上位機界面開始進行噴油實驗。首先由上位機同時發(fā)送噴油脈寬信號(ms)和PIV拍攝延遲信號(ms)給單片機,單片機同時觸發(fā)兩噴油器的執(zhí)行機構(gòu)和PIV主機的程序定時單元(PTU)進行工作;兩噴油器的驅(qū)動機構(gòu)接受噴油脈沖信號同時進行噴油;Nd：YAG雙脈沖激光器和CCD相機則在主機PT U的控制協(xié)調(diào)下按照延遲信號進行閃光和拍攝。

表2 PIV系統(tǒng)參數(shù)[8]Table 2 The parameters of the PIV system[8]

2 實驗結(jié)果分析

為便于了解不同噴油量(由噴射脈寬決定)下兩種噴油器噴油破碎霧化的情況,在相同的噴射壓力0.32MPa下,分別設(shè)定噴射脈沖寬度為1.5、4和8ms,并將兩個噴油器集中在一幅畫面中拍攝,以便進行對比分析。

以上三豎列圖片,拍攝的是兩種噴孔在噴射脈寬分別為1.5、4和8ms的破碎霧化圖像,每種脈寬的噴油過程都選取3個時刻的圖像進行對比,即噴射開始后1.0ms(第一橫排),噴射脈寬結(jié)束時刻(分別為1.5、4、8ms)(第二橫排)以及噴射脈寬結(jié)束之后 4ms(分別為5.5、8、12ms)(第三橫排)。從上面各圖可以看出：

第一橫排圖片,三種噴油脈寬下的噴油情況基本相同,上部的渦旋噴嘴已噴出一小段錐形油膜,前鋒被空氣碰撞振蕩已經(jīng)有輕微的破碎,但與油錐主體之間沒有明顯的分離,而下部的雙孔噴嘴還沒有油柱超出突臺的外緣。

第二橫排圖片,最左邊1.5ms的圖片上,上部的渦旋噴嘴噴出的完整空芯油錐繼續(xù)擴大,與其在1.0ms時相比長度有所增加,而下部的雙噴嘴在較短的0.5ms內(nèi),已有油柱噴射出來,其噴出的實芯液柱長度比同時刻渦旋噴孔射流長度遠了約2mm,達到了15mm,故射流最大速度大約為30m/s,說明雙孔射流速度明顯比渦旋射流快;同時,相比渦旋噴嘴,雙孔噴嘴出來的油柱以及已經(jīng)霧化的油滴粒子都集中分布在射流中心線上,油膜連接比較完整,霧化效果則較差;中間4ms和右邊8ms噴射脈寬圖片跟前面1.5ms時圖片相比較,主要特點不變,變化較明顯的是隨著噴射時間延長,射流前鋒的貫穿距離進一步擴大,破碎和霧化質(zhì)量進一步變好,具體表現(xiàn)為,上部渦旋射流的油錐前鋒以及外緣部分的油膜破碎和霧化很均勻,射流發(fā)散的程度和效果很好,越接近噴嘴油膜越完整和連續(xù),從油嘴到油束前鋒,油膜破碎霧化的程度是逐漸加深的,而下部雙孔射流的貫穿距離和最大速度明顯比渦旋噴孔大,噴射的方向性較強,高速的油霧粒子基本上都密集地分布在噴油中心線上;當(dāng)設(shè)定的噴油脈沖結(jié)束時,在0.32MPa的壓力下,4ms噴油脈寬的貫穿距離,渦旋射流為66mm,雙孔射流為70mm,8ms噴油脈寬下渦旋射流為130mm,雙孔射流為143mm,可見,不論渦旋還是雙孔射流,在一定的噴射壓力下,噴射結(jié)束時的貫穿距離與噴射脈寬基本呈正比關(guān)系。

圖3 渦旋和雙噴孔噴霧破碎霧化過程對比圖Fig.3 The competitive photographs of the spray process of the swirl injector and the double-jet injector

第三橫排圖片,可以看出噴射脈寬為1.5ms的霧化效果最好,兩噴嘴射流都基本上全部分散破裂為小油粒,4ms次之,8ms的最差,明顯看到上部渦旋噴嘴的空芯油錐和沒完全破碎的大塊油膜;同時,無論哪種噴射脈寬,就其噴射效果來講,渦旋射流油束的發(fā)散和霧化程度均優(yōu)于雙孔射流,這是由液膜射流和圓射流的固有屬性決定的。

圖4是由PIV系統(tǒng)自帶軟件計算得出的與上面照片一一對應(yīng)的霧化粒子速度場分布云圖,顏色由冷變亮代表了速度值由小變大。由圖可以看出,渦旋射流粒子的速度分布比較膨脹和分散,而雙孔射流的高速粒子集中在中心線上(與濃度分布規(guī)律一致);相同時刻,雙孔射流霧化粒子的速度絕對值最大值大于渦旋射流;在噴霧過程中,兩種噴嘴都存在相同的規(guī)律：噴射過程中越靠近噴嘴出口處的區(qū)域速度絕對值越大,而停噴之后,噴霧高速區(qū)都集中在噴霧的前鋒。

由于PIV分析軟件對噴霧粒子速度場空間位置的分析精度小于毫米量級[8],且實驗在封閉室內(nèi)室溫環(huán)境下進行,環(huán)境干擾很小,可以應(yīng)用PIV計算分析軟件的標(biāo)定功能標(biāo)定照片中貫穿距離和實際長度之間的對應(yīng)關(guān)系,進而分析比較兩噴嘴的貫穿距離。圖5是在0.32MPa噴射壓力,4ms噴射脈寬之下,渦旋射流和雙孔射流的貫穿距離隨噴射時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,噴射剛開始時,渦旋射流貫穿距離明顯高于雙孔射流;隨后,雙孔射流貫穿距離迅速上升并與渦旋射流基本一致,噴射脈寬結(jié)束之后顯著高于后者。

圖4 渦旋和雙噴孔噴霧破碎霧化過程速度場分布云圖Fig.4 The speed-field nephograms of the spray process of the swirl injector and the double-jet injector

圖5 渦旋和雙噴孔噴油器油束的貫穿距離隨噴射時間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the spraydistances of the swirl injectorand the double-jet injector and the spray time

下面對噴射過程的沖量進行近似計算并與圖5試驗結(jié)果進行比較分析?？资胶蜏u旋噴嘴的結(jié)構(gòu)特點[9]可分別歸納為流體力學(xué)中定義的薄壁孔口和收縮管嘴[10],其對應(yīng)的流速系數(shù)Cv分別為0.97和0.96,流量系數(shù)Cq分別為0.62和0.95,97#號汽油密度為0.737kg/L,由伯努利方程可以推導(dǎo)出噴嘴外緣處射流的速度公式(1)和體積流量公式(2)[10]

設(shè)整個噴射過程噴射壓力始終不變均為0.32MPa,噴射阻力為零,通過計算可得,雙孔噴嘴和渦旋噴嘴外緣處射速分別為28.58m/s和28.28m/s,體積流量分別為1.39×10-6和2.69×10-6m3/s,則在4ms噴射脈寬結(jié)束時刻,雙孔噴嘴和渦旋噴嘴分別噴射的燃油質(zhì)量分別為4.1和7.93mg,于是在整個噴射過程中,雙孔噴嘴和渦旋噴嘴噴射的動量變化量△P(即沖量 I)分別為4.1mg×28.58m/s=117mg.m/s和7.93mg×28.28 m/s=224mg.m/s。

由此可知,在相同的噴射壓力和噴射脈寬下,渦旋噴嘴射流的噴射質(zhì)量和沖量應(yīng)該高出雙孔噴嘴約一倍,但是在噴射過程壓力不變以及噴射阻力為零的假設(shè)下得出的。實際情況下,噴射初期,高噴射動量的渦旋射流的貫穿距離明顯大于雙孔射流;但隨著時間的發(fā)展,在4ms噴射脈寬結(jié)束時刻,由于空氣阻力,振蕩、發(fā)散的渦旋噴嘴射流消耗了大量的噴射動量,同時,渦旋射流切向速度分量也占用了部分噴射動量,這些動量的耗散導(dǎo)致了噴射貫穿距離迅速下降并與雙孔射流保持一致;在噴射脈寬結(jié)束之后,由于空氣阻力的進一步增加,振蕩和發(fā)散的程度也越來越強烈,渦旋射流的貫穿距離逐漸小于雙孔射流。由以上試驗和理論分析可知,針對試驗所用的噴嘴,在相同的噴射壓力和噴射脈寬下,雖然渦旋射流的沖量比雙孔射流大,但由于空氣阻力和自身振蕩發(fā)散等因素影響,噴射脈寬結(jié)束之后,雙孔射流速度和貫穿距離反而明顯高于渦旋射流。這進一步證實了相同條件下圓噴射的貫穿距離和噴射速度要高于液膜噴射的理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

應(yīng)用PIV技術(shù)對噴射壓力為0.32MPa,噴射脈寬為1.5、4和8ms的渦旋噴孔噴油器(0.35mm)和雙孔噴油器(2×0.22mm)射流霧化過程進行了對比研究,得出以下規(guī)律：

(1)霧化粒子濃度場分布方面,渦旋射流的油錐前鋒以及外緣部分的油膜破碎均勻且霧化很好,噴射發(fā)散的程度和效果很好;越接近噴嘴油膜越完整和連續(xù),從噴嘴到油束前鋒,油膜破碎霧化的程度是逐漸加深的。雙孔射流霧化的油滴粒子都集中分布在噴射中心線上,油膜連接比較完整,霧化效果較差,但噴射距離明顯比渦旋射流大,且噴射的方向性較強,霧化粒子基本上都密集地分布在噴油中心線上;

(2)速度場分布方面,渦旋射流霧化粒子的速度分布比較膨脹和發(fā)散,而雙孔射流的高速粒子集中分布在中心線上(與濃度分布規(guī)律一致);且相同時刻,雙孔射流霧化粒子的速度絕對值的最大值均明顯大于渦旋射流;在噴霧過程中,兩種噴嘴都存在相同的規(guī)律：噴射過程中越靠近噴嘴出口處的區(qū)域速度絕對值越大,而停噴之后,噴霧高速區(qū)都集中在噴霧的前鋒;

(3)不論渦旋還是雙孔射流,在一定的噴射壓力下,噴射結(jié)束時的貫穿距離與噴射脈寬基本呈正比關(guān)系,且在相同的噴射壓力和噴射脈寬下,由于空氣阻力及自射振蕩發(fā)散等因素影響,噴射結(jié)束后雙孔射流速度和貫穿距離明顯高于渦旋射流。

以上結(jié)論證明渦旋噴射和雙噴孔噴射過程的噴霧特征完全符合其所對應(yīng)的理論噴射類型——液膜射流和圓射流 。

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