超聲速霧化粒徑二維分布測量系統(tǒng)設計

楊　輝，劉維來，馮志華，徐寶劍，高達睿

(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

Design of Measurement System of Droplet Size Two-dimensional Distributionin Supersonic Atomization Field

YANG Hui，LIU Weilai，F(xiàn)ENG Zhihua，XU Baojian，GAO Darui

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

超聲速霧化粒徑二維分布測量系統(tǒng)設計

楊輝，劉維來，馮志華，徐寶劍，高達睿

(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

Design of Measurement System of Droplet Size Two-dimensional Distributionin Supersonic Atomization Field

YANG Hui，LIU Weilai，F(xiàn)ENG Zhihua，XU Baojian，GAO Darui

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

摘要：為獲得航空煤油在超聲速氣流中噴射霧化后粒徑二維分布信息，設計了基于PLIF/Mie雙光譜成像法的測量系統(tǒng)。介紹了PLIF/Mie雙光譜測量原理，設計了測量實驗平臺，包括超聲速風洞、煤油噴射系統(tǒng)、光路、成像系統(tǒng)和時序控制單元等。實驗表明，該測量系統(tǒng)能應用于超聲速霧化場的粒徑二維分布測量研究。

關鍵詞：煤油霧化；超聲速氣流；粒徑測量；PLIF/Mie圖像

中圖分類號：TH741.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0053-04

收稿日期：2015-03-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272309)

作者簡介：楊輝(1988-)，男，四川達州人，碩士研究生，研究方向為霧化場仿真與光電測量技術；劉維來(1970-)，男，安徽六安人，博士，講師，主要研究方向為測控技術和霧化場激光測量技術，通訊作者。

Abstract：In order to obtain the drop-size of the atomization of kerosene in a supersonic airstream, a measurement system is designed based on PLIF/Mie scatter light imaging. A measurement principle is introduced. An experiment platform is designed comprising a supersonic wind tunnel, a kerosene injection system, an optical system, an imaging device, and a timing controller. The results show that the measurement system can be applied to drop-sizing in two-dimensional in supersonic atomization field.

Key words：kerosene atomization；supersonic airstream；droplet sizing；PLIF/Mie images

0引言

超燃沖壓發(fā)動機是高超聲速飛行器最理想的動力裝置之一，是目前世界各國競相發(fā)展和研究的熱點領域之一。超燃沖壓發(fā)動機的性能關鍵在于燃料(特別是液體燃料)的破碎、霧化和摻混過程。煤油超燃霧化現(xiàn)象和粒徑測量極具挑戰(zhàn)性，盡管該問題已得到廣泛研究，但有待于發(fā)展霧化場粒徑分布的精細在線測量方法，以便給煤油超燃發(fā)動機研制，特別是燃燒室設計和評價提供基礎性數(shù)據(jù)。

非侵入式、高分辨率激光診斷在液體霧化場粒徑測量中已廣泛應用，正逐漸發(fā)展應用于超聲速氣流條件下的液體霧化。目前，已用于汽油機和柴油機噴霧燃燒流場測量[1]，包括PLIF、光散射、PDA/PDPA等。通過示蹤粒子或燃料分子、自由基的熒光、散射光和吸收光譜，可得到霧化場粒徑分布。Lin[2]利用PDA單點粒徑測量方法 ，在孔徑為1 mm、來流馬赫數(shù)1.94情況下，測量了噴嘴下游水平和垂直方向不同點的粒徑和液滴速度分布，這是國際上首次發(fā)表的超聲速霧化場粒徑在線測量數(shù)據(jù)，但PDA光路復雜，成本昂貴，對測試環(huán)境要求高。楊順華[3]利用激光全息在線測量了煤油超燃熱態(tài)和冷態(tài)霧化場粒徑二維分布，采用已知直徑絲線拍攝的干涉圖像標定系統(tǒng)，但標定工作復雜，且存在沿光路有積分效應，數(shù)據(jù)量大且處理效率低。彈性/非彈性散射光成像測量粒徑二維分布是近10年快速發(fā)展的技術，具有測量效率高、光路簡單和提供信息量大等特點，適合環(huán)境惡劣霧化場的在線測量，具有較好的應用前景。在片光激發(fā)下，從統(tǒng)計意義上說，液滴發(fā)出的彈性/非彈性散射光強度分別與液滴的面積和體積成正比，采用組合的物理光學和成像方法，如PLIF/Mie成像，可測量霧化場粒徑二維分布。劉存喜[4]利用PLIF/Mie成像測量方法，測量了航空煤油在低速條件下霧化場的二維粒徑空間分布特性，但沒有給出具體可靠的測量系統(tǒng)和標定系統(tǒng)設計。因此，結合現(xiàn)有光學測量方法優(yōu)缺點，設計一個效率高、信息量大、適合超聲速霧化場的測量系統(tǒng)。

1PLIF/Mie成像法測量原理

煤油為含有C=O鍵的混合物，易受激發(fā)產生熒光(不需添加示蹤劑)，采用紫外激光(波長小于400 nm)激發(fā)，煤油能產生熒光且熒光波長范圍為100～500 nm[5]。利用片激光激發(fā)航空煤油霧化場產生熒光(PLIF)和米氏散射光(Mie scattering)，用ICCD相機得到2種散射光圖像，通過標定測量系統(tǒng)，經粒徑反演和圖像處理，得到片光截面的粒徑二維分布。即PLIF/Mie成像測量方法。

(1)SMD為該單元區(qū)索特爾平均粒徑值；IF和IM分別為該單元區(qū)熒光和Mie散射光由ICCD成像后的像素值和；di為單元區(qū)各粒子等效粒徑；K和K1為系數(shù)。

由式(1)知，若已知K值以及IF和IM的值(或比值IF/IM)可反演出SMD值。K值與粒子和測量系統(tǒng)特性有關，可標定得到。IF/IM值與PLIF、Mie散射光強信號有關，可由ICCD成像得到。

2測量系統(tǒng)設計

2.1　測量系統(tǒng)組成

煤油超燃冷態(tài)霧化場粒徑二維分布測量實驗，在超燃冷態(tài)霧化場實驗臺完成，測量系統(tǒng)實驗裝置如圖1所示。該平臺配有小型超聲速風洞系統(tǒng)、煤油噴射系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和時序控制系統(tǒng)等。該實驗測量系統(tǒng)設計的目的，是將PLIF/Mie成像測量法應用于超聲速霧化在線測量研究，并分析誤差來源以及環(huán)境的影響。

圖1　測量系統(tǒng)裝置圖

2.2　超聲速風洞系統(tǒng)

小型超聲速風洞系統(tǒng)如圖2所示。主要包括穩(wěn)定段、噴管、實驗段和擴壓段。氣流由高壓儲氣罐通過進氣管道進入穩(wěn)定段，穩(wěn)定段內安裝有蜂窩板和阻尼網(wǎng)，以消除來流漩渦，降低湍流度，提高氣流均勻性。噴管是核心部件，作用是使氣流壓縮膨脹加速至所需馬赫數(shù)。實驗段內可布置噴孔、凹槽和支架等進行煤油霧化實驗研究。擴壓段可降低流速，使氣流靜壓恢復，減小氣流在風洞出口的總壓損失。噴管設計為二維Laval噴管，為了減小邊界層復雜氣液流動對實驗的影響，實驗段擴張角設計為0.5°。實驗段的前后側面帶有玻璃觀察窗口，便于光學測量，為了減小玻璃對紫外光的吸收，玻璃材料為紫外熔融石英。在實驗段的下壁面，可以根據(jù)實驗需要自由安裝帶有噴孔的平板或凹槽的壁面結構。

圖2　小型超聲速風洞系統(tǒng)示意圖

2.3　煤油噴射系統(tǒng)

煤油噴射系統(tǒng)如圖3所示。主要有高壓氮氣、減壓閥、煤油罐和霧化噴嘴組成。高壓氮氣通過減壓閥可以產生0～2.5MPa的穩(wěn)定壓力，驅動煤油罐中的煤油通過霧化噴嘴進入超聲速氣流中進行霧化。在實驗段，超聲速氣流與煤油射流相互作用并互相滲透，一起運動到下游。實驗時需注意，每次做實驗前，需要將煤油罐里的煤油添加到容積的90%以上，且減壓閥調節(jié)應緩慢，逐漸增大氮氣輸出壓力。實驗做完后應排出煤油罐中的氮氣，釋放煤油壓力。

圖3　煤油噴射系統(tǒng)

2.4　光路系統(tǒng)

當其他條件相同，煤油熒光光強隨著入射激光功率增大而線性增大。在未飽和的情況下，選用功率較大的激光器，會得到更強的熒光。激光器選用YAG激光器。激光器脈寬為10ns，脈沖頻率為10Hz，波長1 064nm的最大脈沖輸出能量為1.5J，經三倍頻后泵浦光的波長為355nm、單脈沖能量約為850mJ。

在霧化場測量實驗段要求片激光束或平面激光束截面為矩形，且其長和寬分別約為40mm和1mm。由于平行光束通過凹透鏡和凸透鏡組合系統(tǒng)能實現(xiàn)擴束，通過2個焦距不同的凸透鏡組合能減束。因此，對于截面為圓形的光束，通過平凹柱透鏡、凸透鏡和平凸柱透鏡三者組合能轉換成片光。如圖1所示。

2.5　成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)主要包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、WinView軟件、雙像裝置、濾光片和ICCD相機，如圖1所示。其中，雙像裝置的目的是對1個物體用1臺ICCD相機同時拍攝2幅相同的物體照片，且為霧化場的瞬態(tài)信息，避免了利用1臺ICCD和1臺CCD相機同時拍攝的時序同步難的問題[6]，同時解決了用1臺ICCD相機分時拍攝的霧化場圖像光強比，來表示瞬態(tài)信息所帶來的誤差[7]。當355 nm的片激光激發(fā)霧化場中的煤油液滴時，產生355 nm的Mie散射光和390～510nm的熒光，所以成像系統(tǒng)中通過雙像裝置把熒光和Mie散射光分開成像，且需要使用濾光片，熒光成像光路應濾掉Mie散射光，而Mie散射光成像光路應濾掉熒光。由于Mie散射光強比熒光光強強得多，在用1臺ICCD通過雙像裝置成2幅像時，Mie散射光會對熒光成像有干擾，應在Mie散射光成像光路中加1片減光鏡，衰減Mie散射光強。熒光信號很微弱，對CCD靈敏度和信噪比要求高，實驗中擬采用美國PI公司的PI-MAX產品ICCD，來獲得熒光光譜圖像。

2.6　時序控制系統(tǒng)

時序控制系統(tǒng)主要由激光器控制箱、ST133控制器和DG535組成，如圖1所示。激光、熒光、Mie散射光的時間特性不一樣。YAG激光器發(fā)出的脈沖激光周期內，Mie散射光壽命與激光單脈沖時長幾乎相同，但是熒光的產生具有一定的滯后，且延續(xù)一段時間，通常為100 ns以內[8]。實驗中，使用DG535數(shù)字延時脈沖發(fā)生器，來控制ICCD拍攝時序。其延時分辨率高達5 ps，通道之間的抖動小于50 ps。激光器控制箱輸出一路脈沖信號T輸入DG535。DG535有4路輸出通道(A，B，C，D)，分別輸出控制信號到ICCD相機，控制ICCD拍攝。C通道輸出，信號控制快門打開；D通道輸出，信號控制快門關閉；A通道輸出，信號控制像增強器打開；B通道輸出，信號控制像增強器關閉。其時序關系如圖4所示。

圖4　ICCD拍攝時序

3測量系統(tǒng)的標定

3.1　標定方法

(2)同理，利用PDA測量法和PLIF/Mie成像測量法測量多個單元區(qū)域，再利用式(2)，可得到一組 (IF/IM，K)值。最后利用最小二乘法多項式擬合，得出IF/IM和K關系曲線。

由ICCD得到的PLIF和Mie散射光圖像，通過算法可得到圖像對應單元區(qū)IF/IM值。根據(jù)式(1)，結合定標得到的IF/IM和K曲線，可反演出各單元區(qū)SMD值，從而得到片激光成像截面SMD分布。選擇標定霧化場中某些空間點，用PLIF/Mie成像測量法測量粒徑值，再用PDA測量其粒徑值，比較2種方法得到的粒徑值，可驗證PLIF/Mie測量方法的有效性，并分析誤差及其來源。

3.2　標定實驗裝置

實驗測量系統(tǒng)的標定在低速或者靜態(tài)霧化場中進行，其實驗裝置如圖5所示。當進行PDA標定時，不需片激光進入霧化區(qū)。當用ICCD成像測量時，PDA發(fā)射激光不進入霧化區(qū)。需要說明的是：測量系統(tǒng)標定實驗裝置中的光路系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、時序控制系統(tǒng)均與第2節(jié)的測量系統(tǒng)對應部分相同。當測量系統(tǒng)標定好以后，在保證ICCD相機成像參數(shù)、實驗條件、激光能量和光學透鏡參數(shù)等不變的情況下，將其應用于超聲速霧化在線測量中的結果才是有效的。

圖5　實驗測量系統(tǒng)的標定實驗裝置

4結束語

介紹了PLIF/Mie成像法的基本原理、測量系統(tǒng)的構成和標定。對超聲速霧化場采用雙像裝置和ICCD組合成雙像的方法，可以獲得瞬態(tài)信息，節(jié)約了實驗成本，簡化了系統(tǒng)時序控制方法。與其他傳統(tǒng)的粒徑測量方法相比，PLIF/Mie成像法應用于霧化場，特別是超聲速霧化場的粒徑測量具有很大的優(yōu)越性。

參考文獻：

[1]Bechtel J H，Chraplyvy A R.Laser diagnostics offlames，combustion products，and sprays[J].Proceedings of the IEEE，1982，70(6) ：658-677.

[2]Lin K C，Kennedy P J，Jackson T A.Structures of water jetsin a mach 1.94 supersonic crossflow[R].AIAA 2004-971，2004.

[3]楊順華.超聲速氣流中的射流霧化實驗和數(shù)值模擬[R].合肥:中國科學技術大學，2010.

[4]劉存喜.多級旋流空氣霧化噴嘴霧化特性及光學測試方法研究[D].北京：中國科學院大學，2012.

[5]田廣軍，尚麗平，史錦珊．油類三維熒光譜測量及其指紋圖統(tǒng)計特征[J].儀器儀表學報，2004，25(4):819-823.

[6]張鐘秀，劉維來，王克逸.超聲霧化場粒徑Raman/Mie雙光譜測量系統(tǒng)設計[J].機械與電子，2014(9):3-5.

[7]Powell J W.A quantitative assessment of droplet sizes in atmospheric and engine environments[D].University of Illinois at Urbana-Champaign，2009.

[8]張少華，余西龍，張新宇.RP-3型航空煤油熒光光譜研究[C]//LHD2013夏季學術研討會.河北平山，2013:34-45.