柴油噴霧近場初次破碎微觀特性可視化試驗(yàn)研究

王錚昊，王 謙，何志霞，吳玉強(qiáng)

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

高壓噴射的燃油經(jīng)過一系列破碎霧化過程變?yōu)槲⑿〕叨纫旱?，增加了燃油與空氣的作用面積，從而促進(jìn)燃油的快速蒸發(fā)并在短時(shí)間內(nèi)形成可燃混合氣。液滴的破碎、霧化、噴霧錐角、粒徑大小、粒徑分布、噴霧貫穿距等噴霧特性影響著燃燒室內(nèi)混合氣形成，進(jìn)而影響柴油機(jī)的性能。因此，深入理解霧化機(jī)理對(duì)研究柴油機(jī)設(shè)計(jì)、燃燒和排放控制十分重要。

迄今國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的射流霧化模型。首先，燃油噴霧場可分為稠密區(qū)和稀薄區(qū)［1］。稠密區(qū)是指近噴孔區(qū)（一般距噴孔4mm范圍內(nèi)）的噴霧場，該區(qū)域內(nèi)的液滴間距很小，液滴間相互作用不能被忽略。由于稠密區(qū)內(nèi)未擾液核被外圍液滴所包圍，目前基于光學(xué)原理的試驗(yàn)無法獲得其詳細(xì)結(jié)構(gòu)，但是未擾液核結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到射流初始表面波結(jié)構(gòu)及其增長特性。射流離開噴孔后就存在黏著力和破碎力的競爭，由黏著力和分裂力競爭產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)發(fā)生增長并最終導(dǎo)致液體射流發(fā)生分裂霧化，這一過程被稱為初次霧化。初次霧化形成的液滴會(huì)進(jìn)一步破碎成更小的液滴，這一過程稱為二次霧化。研究指出，近噴孔區(qū)初次霧化特性將決定噴霧下游霧化程度［2］。文獻(xiàn)［3］指出，油束初次破碎受到噴孔內(nèi)流特性的影響，諸如湍流強(qiáng)度、空穴和速度場。文獻(xiàn)［4］在此基礎(chǔ)上提出湍流擾動(dòng)、空氣動(dòng)力和噴孔內(nèi)部的空化現(xiàn)象是造成高壓柴油噴射初次破碎的3個(gè)基本因素。

文獻(xiàn)［5］利用長焦顯微技術(shù)對(duì)油束不同區(qū)域外圍液滴大小及分布進(jìn)行了拍攝。結(jié)果表明，近噴孔區(qū)域燃油主要以稠密帶狀液絲形態(tài)存在。試驗(yàn)獲得了噴束表面波結(jié)構(gòu)，但無法獲得被稠密液滴包圍的未擾液核的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［6］利用高亮度X射線技術(shù)對(duì)單孔噴油器近噴孔區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨壓力升高近噴孔區(qū)油束有從層流到湍流的發(fā)展過程，并且隨著噴射壓力增大，層流區(qū)域逐漸減小直至無法識(shí)別。但是此試驗(yàn)并沒有闡明噴油壓力對(duì)噴霧場粒子濃度的影響。

近幾年激光診斷技術(shù)已成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結(jié)構(gòu)的重要工具［7］。由于傳統(tǒng)光源配合高速數(shù)碼相機(jī)無法獲得近噴孔區(qū)清晰的微觀噴霧場圖像，因此為了解霧化機(jī)理，探究噴霧表面波的產(chǎn)生機(jī)理及增長特性，本研究將現(xiàn)代激光診斷技術(shù)應(yīng)用到噴霧場微觀試驗(yàn)中來，用Matlab圖像處理工具對(duì)微觀噴霧場圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理［8］，獲得了清晰的近噴孔區(qū)表面波輪廓曲線，研究了噴霧表面波及近噴孔區(qū)織狀油滴［6］的形成和發(fā)展及其對(duì)初次霧化的影響，結(jié)合背光法拍攝，研究了共軌噴射壓力對(duì)燃油噴霧粒子濃度及近噴孔射流邊界層的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將現(xiàn)代激光診斷技術(shù)應(yīng)用到微觀噴霧場可視化試驗(yàn)中，利用PIV激光脈沖光源配合顯微鏡頭和高速CCD相機(jī)來研究近噴孔區(qū)域柴油霧化特性和表面波發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)備主要由高壓共軌柴油噴射系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及圖像采集系統(tǒng)組成。本次試驗(yàn)通過開展對(duì)無蒸發(fā)柴油近噴孔區(qū)域自由噴霧特性的觀測(cè)來探究初次霧化機(jī)理。采用YAG激光直接照射法和背光法兩種高射攝影拍攝方案，相互補(bǔ)充來研究燃油初次破碎過程。

PIV技術(shù)作為瞬態(tài)速度場測(cè)試技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。本試驗(yàn)將油滴視作示蹤粒子，結(jié)合PIV激光脈沖光源，利用示蹤粒子對(duì)光的散射作用，從而獲得瞬時(shí)近噴孔區(qū)微觀噴霧場。由文獻(xiàn)［7］可知，高速相機(jī)捕捉到的圖像明暗強(qiáng)度可以反映粒子分布的密度和均勻性。

本試驗(yàn)的燃油供給采用先進(jìn)的高壓共軌系統(tǒng)，其中，高壓油泵可提供0～180MPa的噴射壓力，電控噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噴油壓力的精確控制，降低了壓力波動(dòng)對(duì)燃油霧化過程的影響。通過控制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以及顯示器直觀顯示來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射頻率、噴射壓力的控制。試驗(yàn)選用單孔VCO噴油器作為噴霧研究的對(duì)象，噴孔直徑0.2mm。

激光直接照射法的光學(xué)系統(tǒng)見圖1，主要包括雙YAG激光器、長焦顯微鏡頭、高速CCD相機(jī)以及同步器。首先調(diào)整雙YAG激光器為單幀，頻率3Hz，波長532nm，單脈沖能量120mJ，脈沖持續(xù)期5ns，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧場的“凍結(jié)”，片光厚度3mm，用導(dǎo)光臂輸出片光直接照射噴霧場。采用奧林巴斯i－speed3高速相機(jī)拍攝，2 000幀／s時(shí)可以得到1 280×1 024像素的高質(zhì)量圖片，最高幀速率為150 000幀／s，快門響應(yīng)時(shí)間最快為1μs。背光法則是將YAG激光器換為高能白光光源。采用的顯微鏡頭可將近噴孔區(qū)域放大7～12倍，放大后在背光條件下的噴嘴頭部見圖2。

圖像采集系統(tǒng)主要由同步器和圖像處理單元組成。同步器可以實(shí)現(xiàn)將激光器脈沖信號(hào)和噴油器針閥信號(hào)同步，并通過曝光延遲控制，可以得到200～2 000μs不同時(shí)刻的近噴孔區(qū)域的噴霧場形態(tài)。

試驗(yàn)是在25℃及0.1MPa條件下進(jìn)行，研究無蒸發(fā)燃油霧化特性，得到了不同噴油時(shí)刻和噴油壓力下的近噴孔區(qū)微觀表面波形態(tài)及其發(fā)展過程。通過背光法比較不同噴油壓力下的噴霧過程，分析了不同壓力對(duì)連續(xù)未擾液核區(qū)及近噴孔區(qū)液柱邊界層的影響，進(jìn)而探究表面波形成及初次霧化機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 單束噴霧近噴孔微觀噴霧特性

為了從時(shí)間和空間尺度上分析不同噴油壓力、同一油束不同位置以及不同噴油時(shí)刻的近噴孔射流表面波形成發(fā)展過程，并探究液滴破碎機(jī)理和液滴濃度分布變化的影響因素，首先對(duì)單束噴霧近噴孔區(qū)域進(jìn)行了分析。

圖3示出由激光法拍攝的噴油壓力50MPa下，啟噴200μs時(shí)的瞬時(shí)噴霧場圖像。圖示為近噴孔1.5mm區(qū)域內(nèi)的微觀噴霧場，可以看出燃油由噴孔噴出后，并未直接霧化成細(xì)小的顆粒，而是主要以稠密液絲形態(tài)存在。從圖中標(biāo)注區(qū)域的噴霧形態(tài)可以看出，氣液界面處發(fā)生了大尺度的卷吸作用，最初液絲較小，后逐漸發(fā)展成長短不規(guī)律的液絲并與射流表面分離，文獻(xiàn)［6］將之稱為織狀物。這是由于高速射流噴出噴孔后與周圍氣體發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，后噴出來的燃油相對(duì)于之前噴出的燃油具有更高的速度，所以會(huì)撞擊之前噴出的燃油而匯聚成較大的燃油團(tuán)，由于邊界燃油微團(tuán)的速度可以分解為軸向和徑向，又加之受到周圍空氣的剪切作用，故微團(tuán)會(huì)被推至油束外圍并被拉長，受到空氣的卷吸作用就會(huì)形成這種織狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)微團(tuán)被拉成液絲，油束與周圍空氣的作用面積大大增加，當(dāng)液絲增長到一定長度后會(huì)斷裂成許多細(xì)小微團(tuán)，從而促進(jìn)霧化。

由圖3還可以看出，當(dāng)壓力為50MPa時(shí)，油束出噴孔后，邊緣雖然已經(jīng)部分霧化成油滴，但可以明顯看出中心較暗區(qū)域?yàn)槲磾_液核，這是因?yàn)榱Ｗ訉?duì)光的衍射率較高，而中心區(qū)域還未霧化故較暗。雖然燃油噴出噴孔后就發(fā)生了部分霧化，但是并沒有形成表面波，從箭頭指向大約一倍于噴孔直徑的地方開始，噴束表面有微小波動(dòng)產(chǎn)生。而在距離噴孔出口大約3倍噴孔直徑的地方開始，基本就觀察不到明顯的液絲，說明此時(shí)液絲已經(jīng)基本耗散。由于視場范圍和YAG激光器響應(yīng)延遲的局限性，此時(shí)噴油油束頭部迎風(fēng)面已經(jīng)超出視場范圍，故無法觀察到迎風(fēng)面表面波。圖4示出噴油壓力50MPa時(shí)，噴油1 000μs后同一區(qū)域的微觀噴霧場。可以看出，當(dāng)噴霧發(fā)展到中期時(shí)，織狀液絲已經(jīng)基本觀察不到。由于噴霧發(fā)展到中期，被已霧化液滴包裹的未擾液核也很難分辨清楚。

2.2 不同噴射壓力下微觀噴霧場對(duì)比分析

圖5示出噴油200μs后，不同噴射壓力下的微觀噴霧場對(duì)比?？梢悦黠@觀察到噴油壓力為5MPa時(shí)噴霧霧化程度很差，半透明的液柱區(qū)持續(xù)距離較長，并且從距離噴孔出口5倍噴孔直徑處才有液滴脫離射流體表面。壓力升高至15MPa后，雖然發(fā)生了油滴的破碎和霧化，但可以發(fā)現(xiàn)液滴分布非常不均勻，霧化效果不理想。對(duì)比噴油壓力15MPa和80MPa的油束可以發(fā)現(xiàn)，80MPa時(shí)未擾液核區(qū)很難辨認(rèn)，說明壓力增大導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增大進(jìn)而減小未擾液核長度，出噴孔后油束立即發(fā)生了較為良好的霧化。對(duì)比50MPa和80MPa的油束還可以發(fā)現(xiàn)，80MPa時(shí)光強(qiáng)分布更均勻，而光強(qiáng)分布與液滴分布是成正比的，因此可以說明液滴分布更加細(xì)膩和均勻，可以證明80MPa的霧化程度較好，同時(shí)也證明了噴油壓力是決定霧化程度的重要因素之一。

圖6示出噴油壓力10MPa時(shí)的微觀噴霧發(fā)展圖像。由圖可以看出，噴霧發(fā)展初期可以觀察到清晰的半透明液核，并且近噴孔射流初始液柱邊界層也較為清晰，沒有明顯的擾動(dòng)。隨著噴霧的進(jìn)行，噴孔內(nèi)空穴逐漸形成和發(fā)展，對(duì)近噴孔噴霧特性產(chǎn)生影響，由清晰液核變?yōu)槟：褐⑶页跏紨_動(dòng)的發(fā)生也提前了。這與文獻(xiàn)［9］用X射線拍攝的液核變化趨勢(shì)相符。

圖7示出不同噴射壓力下，啟噴200μs時(shí)微觀初始噴霧形態(tài)的對(duì)比。如之前所述，當(dāng)噴油壓力較低時(shí)，噴霧可分為半透明液核階段、模糊噴柱階段和完全霧化階段。從清晰的邊界層到完全霧化需要一定時(shí)間的轉(zhuǎn)變期。而觀察80MPa的初始噴霧場可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃油從噴孔噴出后就立即霧化，沒有初始轉(zhuǎn)化期。對(duì)比50MPa的和10MPa的微觀噴霧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，雖然50MPa時(shí)無法辨認(rèn)液核區(qū)，但油束出噴孔后仍有一段邊界非常整齊光滑的區(qū)域，而且這一區(qū)域要比10MPa時(shí)小。由此可知隨著壓力升高，光滑區(qū)逐漸減小至消失。

3 近場噴霧液核表面波發(fā)展分析

由于近噴孔區(qū)油束主體與邊緣已霧化油滴很難區(qū)分，故需對(duì)采集的噴霧圖片進(jìn)行處理才能辨別噴霧近場表面波。為此，應(yīng)用文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［10］提出的圖像處理方法對(duì)噴霧照片應(yīng)用Matlab進(jìn)行處理。針對(duì)噴油壓力為80MPa的油束處理流程見圖8，并由相同方法得到40MPa和60MPa油束主體的邊緣圖像。從圖像處理結(jié)果可以看出，處理后的圖片排除了邊緣已霧化油滴的干擾，對(duì)比鮮明，射流主體表面波輪廓清晰，利用提取的邊緣輪廓可以計(jì)算出噴霧液柱表面波波長和振幅。

圖9示出計(jì)算表面波長和振幅的原理。其中，λi為第i個(gè)波長，P為網(wǎng)格數(shù)。由于噴孔直徑為定值，故波長所占網(wǎng)格數(shù)比上噴孔直徑所占網(wǎng)格數(shù)，再乘以噴孔直徑，就可以得到波長長度。圖10示出噴油壓力80MPa、啟噴500μs時(shí)的射流表面波波長的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯淞鞅砻娌ㄔ陔x噴孔出口一段距離處才能分辨，波長隨距離的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先增大再減小的循環(huán)變動(dòng)。當(dāng)波長小于0.05mm時(shí)，波長呈波動(dòng)性增長，而當(dāng)波長增長到大于0.05mm時(shí)，此時(shí)波長呈線性迅速增長，隨后又快速減小。這是由于當(dāng)波長較小時(shí)，噴束表面受到黏性力和周圍空氣作用力等多種力的作用，波長增長趨勢(shì)不確定。而當(dāng)波長大于0.05mm后，油束與周圍空氣的相互作用成為主導(dǎo)因素，由于受到空氣的剪切和卷吸力作用，波長迅速增大，因此又進(jìn)一步增大了表面波與空氣的接觸面積，在波長增大到一定程度后，液滴脫離油束表面霧化，而大波長的表面波也因此迅速衰減。

圖11示出噴油壓力80MPa，啟噴500μs時(shí)的射流表面波振幅變化的計(jì)算結(jié)果。振幅增長方式并不像波長那樣有循環(huán)往復(fù)的特性，而是有不規(guī)則增大的趨勢(shì)。在距噴孔較近的區(qū)域（2～3倍噴孔直徑）內(nèi)，表面波振幅增長較為緩慢，當(dāng)振幅增大到一定程度后（約0.02mm），將發(fā)生快速并伴隨較強(qiáng)波動(dòng)的增長。圖12示出噴油壓力為80MPa時(shí)油束射流體表面波波長和振幅合成的散點(diǎn)圖。由圖可知，表面波振幅和波長基本不存在簡單的函數(shù)關(guān)系，這與文獻(xiàn)［11］的模擬結(jié)果相似。

圖13示出在不同噴油壓力下，射流體表面波振幅和波長變化的對(duì)比?？梢钥闯觯M管噴油壓力不同，但表面波波長和振幅的增長變化規(guī)律相似。波長在13～100μm范圍內(nèi)變動(dòng)，振幅在4～52μm范圍內(nèi)變動(dòng)。還可以看出，噴油壓力對(duì)初始表面波的生成有重要影響，壓力升高，初生表面波更靠近噴孔出口。此外，波長和振幅都有從增大到減小的過程，這是由于油束受到軸向和徑向速度的作用，初始射流體表面波在向前傳播的同時(shí)也會(huì)向噴束外緣發(fā)展，因此不但波長會(huì)增大，表面波振幅也會(huì)增強(qiáng)。隨著表面波的增長與耗散，噴束邊緣逐漸破碎成更加細(xì)小的液滴。

4 結(jié)論

a）噴油壓力為50MPa時(shí)油束出噴孔后即發(fā)生部分破碎霧化，此壓力下表面波并非在剛出噴孔處就形成，而是在距離噴孔約1倍噴孔直徑處首先出現(xiàn)微小波動(dòng)，隨后波長和振幅都有所增加，增大到一定程度后破碎為小液滴；同時(shí)，噴孔附近會(huì)形成帶狀液滴微團(tuán)，帶狀微團(tuán)隨后斷裂成細(xì)小液滴；

b）噴射壓力對(duì)噴霧表面波形成發(fā)展和初次霧化有較大影響：當(dāng)壓力不高于40MPa時(shí)，可以清楚觀察到出口噴柱有從半透明的液核向模糊噴柱轉(zhuǎn)變這一過程，說明噴霧初始時(shí)間段液核區(qū)為層流狀態(tài)，尤其在噴油壓力低至10MPa時(shí)，剛出噴孔區(qū)域的層流邊界層可以清晰辨別出來；而隨著壓力升高，層流區(qū)域逐漸減小，當(dāng)壓力大于80MPa時(shí)已經(jīng)無法辨別層流區(qū)域了；

c）隨著噴油壓力的增加，近噴孔區(qū)域油滴分布更加均勻，霧化效果更好；

d）近噴孔區(qū)射流體表面波波長和振幅隨噴孔出口距離的改變而變化，波長在13～100μm范圍內(nèi)變動(dòng)，波長的變動(dòng)與距離沒有明顯的函數(shù)關(guān)系，但總是先增大后減小并往復(fù)循環(huán)；表面波振幅在4～52μm范圍內(nèi)變動(dòng)并且有增大的趨勢(shì)，但是增長并不是線性的；

e）由表面波振幅和波長合成的散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)，表面波振幅和波長之間不存在簡單的線性或是單調(diào)函數(shù)關(guān)系；對(duì)比不同噴油壓力的表面波波長可以得出：壓力增大對(duì)表面波生成具有促進(jìn)作用，壓力越大初生表面波越靠近噴孔出口。

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