用于PDPA校準的標準氣溶膠發(fā)生器性能研究

宋 戈,連軍偉,丁振曉

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭動力系統(tǒng)是現(xiàn)代空間飛行及戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器的重要組成部分。推力室內(nèi)的燃燒組織過程以噴注器、噴嘴將液體推進劑霧化成小液滴為基礎，這一過程伴隨著復雜的氧化還原反應，如何表征這一抽象過程，進而實現(xiàn)燃燒快反應過程的有效控制是推進技術研究的重點。通過水作為模擬介質(zhì)，模擬噴注器、噴嘴的霧化混合過程，借助流動測量技術得到其冷態(tài)動力學特性，可以解決燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性相關的機理問題。

噴注器霧場各種理化特性都具有依時性和空間各異性，研究者只能通過統(tǒng)計學識別其平均特征量[1]。實現(xiàn)這一過程需要高時間分辨率的測量手段，激光測量技術可以有效解決這些難題。激光相位多普勒測量技術(Phase Doppler Particle Analyzer簡稱PDPA)可以同時對流體中粒子的速度、粒度和濃度進行測量，是一種高效多功能測試手段[2]。

1975年，PDPA技術的理論基礎首次得以證實，20世紀80年代中期實現(xiàn)商業(yè)應用，并廣泛應用于多相流場、噴霧場及燃燒環(huán)境等領域的研究工作。20世紀末，我國引進該項技術，并開始在航空航天發(fā)動機領域拓展應用[3-5]。

對比文獻內(nèi)容，粒徑參量是核心數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)必須保證足夠的粒徑測量精度。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)光學設備本身對調(diào)校的精度要求較高，單純光路耦合過程產(chǎn)生的附加誤差就高達7%左右；同時，光學測量系統(tǒng)本身受環(huán)境影響較大，隨著時間推移，光學元器件的性能會發(fā)生衰減，因此需要定期調(diào)校和修正系統(tǒng)誤差。但是，由于粒徑的激光測量技術在國內(nèi)應用起步較晚，我國尚未制定出行之有效的計量校準方法或標準，所以有必要開展校準工藝的研究工作。

根據(jù)計量檢定的基本量傳原理，需要配置一套粒徑基準源設備開展工作。理想的設備應產(chǎn)生穩(wěn)定且均一的粒子，且粒子的直徑可控并具有一定的精度，最后還要滿足光學測量的基本要求。

本文著重對氣溶膠發(fā)生器的研制進展進行綜述，并根據(jù)實際使用條件進行對比選擇，最后利用PDPA設備對發(fā)生器性能進行了研究，并提出了一套性能研究方法。

1 溶膠發(fā)生器研制進展

溶膠發(fā)生器是指在不同介質(zhì)溶劑(液體、氣體)中形成相對穩(wěn)定的液滴或固體顆粒懸浮物的專用設備，形成的混合體系被稱為溶膠。噴注器霧化試驗時，液相粒子分布于氣相介質(zhì)，所以本文主要介紹氣溶膠粒子發(fā)生器[6]。氣溶膠根據(jù)其顆粒性質(zhì)分為異分散、多分散及單分散三種類型，見表1。本文主要討論產(chǎn)生單分散粒子的發(fā)生器，雖然多分散氣溶膠通過分選裝置也可以得到單分散粒子，但本文不作討論。

表1 氣溶膠分類及特性

1.1 流化床氣溶膠發(fā)生器

流化床氣溶膠發(fā)生器可以將制備好的標準單分散相固體粒子，利用流化床設備進行分散氣浮，然后輸出形成氣溶膠。由于固體顆粒容易帶有電荷，所以在流化過程需要消除團聚，并保持流化粒子尺寸可控和釋放均勻是比較困難的，實際其流化效果與粒子本身的形狀、硬度和濕度都有關聯(lián)。但對于火焰或高溫氣體的示蹤測量，由不燃固體形成的氣溶膠具有適應性。原理如圖1所示[7]。

圖1 流化床氣溶膠發(fā)生器

1.2 旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器

旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器通過旋轉(zhuǎn)的盤、碗或杯向外離心加速液膜，來提供霧化所需的能量。液體被定量滴加到轉(zhuǎn)盤上，在轉(zhuǎn)盤周邊，液膜被離心力拉成細絲，最后破裂成液滴。圓盤直徑、旋轉(zhuǎn)速度、表面張力和液體流速等都可以影響液滴的直徑。然而，液滴產(chǎn)生的過程是非均勻分布的，在液相細絲尾部形成較大的液滴，而頭部則破碎成較小的液滴，雖然液滴的尺寸不同有不同的軌道，但不利于單點測量的PDPA設備進行對焦。原理如圖2所示[8]。

圖2 旋轉(zhuǎn)霧化氣溶膠發(fā)生器

1.3 蒸汽冷凝氣溶膠發(fā)生器

利用蒸汽冷凝技術可以得到粒徑嚴格可控的氣溶膠。其核心裝置是一臺汽化器，噴霧出來的液體經(jīng)過蒸發(fā)區(qū)域形成蒸汽，在通過冷凝器前，在蒸汽流中散布播粒中心核。在冷凝器中蒸汽緩慢而均勻的冷卻，從而在核上產(chǎn)生凝結(jié)，形成近似于均勻分布的氣溶膠。這種技術是通過控制凝結(jié)核和蒸汽濃度，并使其在控制的條件下冷凝形成標準氣溶膠的，對于粒徑控制最為精確，可以形成亞微米級氣溶膠粒子，但由于存在復雜的相變過程，所以操作較為復雜。原理如圖3所示[9]。

圖3 蒸汽冷凝氣溶膠發(fā)生器

1.4 振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器

振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器的工作原理和噴墨打印機相似，如圖4所示[10]。當流體經(jīng)過小孔時，在下方將形成一定分布范圍的不均勻粒子流。當使用方波激勵擾動時，在適宜的振幅和頻率下，壓電傳感器(壓電晶體)形成的小孔將使不均勻流斷裂而形成均勻尺寸的粒子，粒子形成頻率將與激勵頻率相等，根據(jù)連續(xù)方程就可以得到粒子的大小。這種發(fā)生器發(fā)生的氣溶膠不僅是單分散的，而且是定量，只要對其運行參數(shù)(供液量、激勵頻率等)進行測量，就可以計算得到其粒徑和濃度參數(shù)，且精度較高；另外該型發(fā)生器產(chǎn)生的標準粒子束垂直向下運動，在空間位置具有固定性，便于PDPA系統(tǒng)的點狀激光測量體進行對焦和定位。

圖4 振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器

1.5 單分散氣溶膠發(fā)生器對比

標準氣溶膠體系的建立，需要保證其各項理化特性符合被測真實霧場，同時要滿足光學測量的基本要求。對不同發(fā)生器粒子的各項技術指標進行總結(jié)，如表2所示。

表2 單分散氣溶膠發(fā)生器對比

考慮相似性原理，振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器粒子的理化特性、折射率和應用領域與噴注器研究的霧化工況具有一致性，且具有很好的濃度控制和尺寸控制能力，單一粒子束利于光學對焦，只要耦合好激勵頻率和液體流量，就能比較容易地形成穩(wěn)定且均一的單分散液滴。

2 測試條件

2.1 標準氣溶膠發(fā)生器

根據(jù)前文描述，綜合考慮，采用美國TSI公司提供的MDG-100標準氣溶膠發(fā)生器。該設備以水為介質(zhì)，產(chǎn)生實際尺寸在很小范圍內(nèi)波動的粒子。該設備為振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器，發(fā)生粒子尺寸誤差為±2%，尺寸范圍為50～300 μm。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)微小粒子受水質(zhì)影響較大，結(jié)合噴注器粒徑分布尺度，實際選擇了100 μm,150 μm和200 μm粒徑尺寸開展精度和穩(wěn)定性研究，并根據(jù)分析結(jié)果，選擇相對誤差較大的100 μm粒徑尺寸開展標準樣本數(shù)量、均勻性、球形度等相關研究。

2.2 PDPA系統(tǒng)

采用美國TSI公司PDPA激光系統(tǒng)(型號FlowSizer 3D PDPA)對標準氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標準粒子進行測量采集。該系統(tǒng)通過接收和分析穿過激光測量體的示蹤粒子的多普勒相位信號，根據(jù)該相位差和粒子的光程差關系，得到粒子在該點的曲率半徑。粒徑測量范圍：1～500 μm，粒徑測量精度±1%。

3 發(fā)生器的性能研究

3.1 標準樣本數(shù)量

標準樣本數(shù)量是指一次采集過程參與統(tǒng)計的粒子數(shù)量，其中包含大量雜音，需要通過后處理得到其中的有效信息。為了更好的消除不確定性，這個參數(shù)理論上越大越好，但是受限設備本身的處理能力，需要選擇一個最優(yōu)值，保證得到的粒徑信息可靠穩(wěn)定，同時又不占用過多的設備性能。

作者對標準氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標準粒子(100 μm)進行測量，調(diào)整標準樣本數(shù)量(簡稱數(shù)據(jù)量)，從100提高到10 000，研究數(shù)據(jù)量對粒徑結(jié)果(D10,D20，D30，D32，D43)的影響，如圖5所示。

圖5 標準樣本數(shù)量對粒徑統(tǒng)計結(jié)果的影響

從圖5中可以看出粒徑統(tǒng)計結(jié)果比較穩(wěn)定，隨著有效數(shù)據(jù)量的增加波動性降低，最大值與最小值的最大誤差僅為2.54%(以D10計算)，間接證明了發(fā)生器的工作穩(wěn)定性。當標準樣本數(shù)量達到3 000以后，粒徑結(jié)果穩(wěn)定性非常好。

3.2 發(fā)生粒子的均勻性

由于粒徑結(jié)果是通過統(tǒng)計學識別的平均特征量，對于粒子的均勻性判定，可以通過統(tǒng)計學算法獲得。PDPA系統(tǒng)本身提供多種平均粒徑結(jié)果。例如數(shù)值平均粒徑D10，表面平均直徑D20，體積平均直徑D30以及索泰爾平均直徑D32，D43。這些統(tǒng)計學粒徑結(jié)果的算法如下[11]：

根據(jù)定義式可知，如果標準氣溶膠發(fā)生器形成粒徑大小一致的標準粒子，在標準樣本數(shù)條件下進行累計統(tǒng)計，各項統(tǒng)計學結(jié)果應趨于一致。分別對標準氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的標準粒子(100 μm)和普通超聲霧化器產(chǎn)生的非標霧場進行測量，對統(tǒng)計結(jié)果進行對比。如表3所示，標準氣溶膠發(fā)生器的測量結(jié)果各項統(tǒng)計值最大相對誤差≤5‰，而非標霧場的各項統(tǒng)計結(jié)果差別較大，證明標準氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的粒子均勻同一。非標霧場結(jié)果在相同標準樣本數(shù)條件下，有效數(shù)據(jù)率降低20%，這是由于非標霧場的奇異結(jié)果被后臺程序篩選過濾掉了。

表3 標準氣溶膠發(fā)生器(100 μm)與普通超聲霧化器數(shù)據(jù)結(jié)果

3.3 發(fā)生粒子的球形度

1975年，德國Durst教授證明在不同位置設置的兩個探測器接收到的光信號頻率相同，但由于兩個探測器空間位置不同，導致通過粒子折射的多普勒信號到達兩個探測器的時間不同，信號間相位差與粒子粒徑成正比，即相位-多普勒原理[12]。Aerometrics第一個提出采用三探測器測量干涉條紋的概念，三個探測器可以產(chǎn)生兩對粒徑結(jié)果，這兩個結(jié)果相當于從不同方向?qū)αＷ映叽邕M行測量，對于球形顆?？梢栽u價被測粒子的球形質(zhì)量，對于非球形顆?？梢詫Σ煌较虺叽绲倪M行定位[13]。

在標準樣本數(shù)條件下(3 000)，對發(fā)生器產(chǎn)生的標準粒子(100 μm)進行一次采樣，并將所有樣本的AB，AC相位的粒徑結(jié)果差別與對應的統(tǒng)計學粒徑進行云圖繪制，如圖6所示(橫線為Diameter Dif=8 μm的輔助線)。

圖6 粒徑差別與粒徑的分布云圖

如圖6所示，粒徑結(jié)果分布比較集中(100 μm左右)，同時粒徑結(jié)果差別基本集中在±8 μm的范圍內(nèi)，根據(jù)粒徑尺寸100 μm計算，最大相對粒徑差別約為±8%，這是由于液滴在空氣中受表面張力的影響能夠保持較好的球形度。

3.4 發(fā)生器的精度和穩(wěn)定性

對標準粒子(100 μm，150 μm和200 μm)每個粒徑條件下進行3次標準采集，對統(tǒng)計結(jié)果進行重復性和精度研究，限于篇幅限制僅對100 μm結(jié)果進行呈現(xiàn)，見表4。

重復性表征發(fā)生器的穩(wěn)定性，定義如下：

(1)

真值誤差表示測量結(jié)果與發(fā)生器設定值的偏差，可以表征發(fā)生器的精度，定義如下：

(2)

式中：xi為單次粒徑測量結(jié)果，μm；|x|為標準氣溶膠發(fā)生器設定粒徑值，μm；ti為真值誤差，%。

表4 100 μm標準粒子測量結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可知：在100～200 μm粒徑范圍內(nèi)，最大重復性誤差為0.91%，最大真值誤差為-1.90%，均出現(xiàn)在100 μm標準粒子條件下。這是由于粒徑越小，形成粒子的壓電晶體振動頻率更高，控制精度下降，相對誤差增大。

4 結(jié)論

針對霧化試驗，振動孔式單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的單分散氣溶膠具有很好的適應性和相似性，該型發(fā)生器的均勻性、球形度、精度和穩(wěn)定性滿足測量儀器校準和噴注器特性研究的基本要求。在實際使用的過程中，可以利用上述評估方法開展標準氣溶膠發(fā)生器性能的相關研究[14]。

針對標準粒子發(fā)生技術開展的分析研究內(nèi)容，為基于激光測量系統(tǒng)搭建的噴注器動特性測試系統(tǒng)提供了校準計量的工藝基礎，為類似的粒徑測量工藝(光學或常規(guī))的調(diào)校工作提供了基準源和量化依據(jù)，具有重要的應用價值和推廣意義。