結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴粒徑測(cè)量初步研究

陳舒越郭向東王梓旭劉森云吳迎春

1．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000;2．浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027

0 引 言

飛機(jī)穿越含有過冷水滴的云層時(shí),過冷水滴會(huì)撞擊于飛機(jī)表面并凍結(jié)成冰,進(jìn)而嚴(yán)重威脅飛行安全[1]。粒徑大于50μm的過冷水滴被稱為“過冷大水滴”(Supercooled Large Droplet,SLD),其引發(fā)結(jié)冰導(dǎo)致的后果更加嚴(yán)重[2]。鑒于過冷大水滴結(jié)冰的嚴(yán)重危害,美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)于2014年擴(kuò)展了FAR 25部原有附錄C“結(jié)冰氣象條件”,增加了附錄O“SLD結(jié)冰氣象條件”,這意味著某些型號(hào)的飛機(jī)將面臨更加嚴(yán)苛的適航認(rèn)證要求[3]。

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)是飛機(jī)結(jié)冰適航取證的重要手段之一。在飛機(jī)過冷大水滴結(jié)冰適航取證日益增長(zhǎng)的需求牽引下,目前世界范圍內(nèi)的主要結(jié)冰風(fēng)洞均在大力發(fā)展過冷大水滴云霧模擬能力,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)附錄O“SLD結(jié)冰氣象條件”的覆蓋。其中,過冷大水滴粒徑測(cè)量方法是結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴云霧模擬能力的關(guān)鍵組成部分[4],亟需開展相關(guān)研究,為過冷大水滴云霧模擬能力發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

在附錄O的SLD條件滴譜中,云霧液滴粒徑范圍大約為5～2229μm[5],如此寬的粒徑范圍給準(zhǔn)確測(cè)量帶來極大挑戰(zhàn)。針對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴云霧液滴粒徑測(cè)量問題,美國(guó)NASA格林中心IRT風(fēng)洞配套了多臺(tái)粒徑測(cè)量設(shè)備,采用分段測(cè)量方法對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段液滴粒徑分布進(jìn)行測(cè)量[6-10],其中,適用于小粒徑范圍的有前向散射分光測(cè)量?jī)xFSSP(2～47μm)和云霧水滴探頭CDP(2～50μm),適用于大粒徑范圍的有光學(xué)陣列測(cè)量?jī)xOAP-230X(15～930μm)、OAP-230Y(50～1500μm)、云霧成像探頭CIP(15～450μm)以及降雨成像探頭PIP(15～930μm)。意大利CIRA結(jié)冰風(fēng)洞采用相位多普勒粒子分析儀PDPA,對(duì)試驗(yàn)段的SLD顆粒群進(jìn)行了測(cè)量[11]。加拿大NRC結(jié)冰風(fēng)洞開展了大粒徑噴嘴和小粒徑噴嘴的組合噴射工作,使用Malvern粒度分析儀測(cè)量了粒徑分布特性,與附錄O的FZDZ(凍細(xì)雨)曲線吻合較好[12]。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞正在發(fā)展SLD結(jié)冰云霧模擬能力,但目前僅配套了一種機(jī)載式設(shè)備(雙通道機(jī)載式相位多普勒干涉儀,PDI-FPDR)和兩種地面測(cè)量設(shè)備(Malvern粒度分析儀、歐美克DP-02激光粒度分析儀)。其中,Malvern粒度分析儀和歐美克DP-02激光粒度分析儀無法在低溫、高濕的結(jié)冰云霧環(huán)境中使用,僅PDI-FPDR可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)云霧液滴粒徑的測(cè)量。

PDI-FPDR是新一代LDV/PDPA系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于結(jié)冰風(fēng)洞液滴粒徑測(cè)量[13-15]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在液滴中值體積直徑(Median Volume Diameter,MVD)小于50μm的結(jié)冰云霧條件下,PDI-FPDR的適用性較好[16-18],但能否準(zhǔn)確測(cè)量大粒徑的云霧參數(shù)還需作進(jìn)一步研究。

本文通過標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器產(chǎn)生特定尺寸的大粒徑液滴流,使用PDI-FPDR對(duì)液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量,評(píng)估PDI-FPDR的液滴粒徑測(cè)量不確定度,進(jìn)而采用PDI-FPDR和Malvern粒度分析儀同時(shí)測(cè)量真實(shí)大液滴噴霧的粒徑特征參數(shù),對(duì)比評(píng)估PDI-FPDR的大液滴噴霧測(cè)量能力。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 雙通道機(jī)載式相位多普勒干涉儀

雙通道機(jī)載式相位多普勒干涉儀(Phase Doppler Interferometer Flight Probe Dual Range,PDI-FPDR),

是一款能滿足自然結(jié)冰云霧參數(shù)測(cè)量需求的機(jī)載式測(cè)量設(shè)備,基于相位多普勒干涉方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)液滴粒徑和液滴速率的測(cè)量。該設(shè)備由光學(xué)發(fā)射探頭、光學(xué)接收探頭、ASA信號(hào)處理器以及AIMS系統(tǒng)軟件平臺(tái)組成[19]。粒徑測(cè)量基本原理如圖1所示。

圖1 PDI-FPDR粒徑測(cè)量的基本原理Fig.1 The basic principle for droplet size measurement of PDI-FPDR

激光器產(chǎn)生的激光束通過帶有頻移裝置的分光器后,分成兩束等強(qiáng)度的藍(lán)光和綠光。兩束光經(jīng)透鏡聚焦后,在目標(biāo)測(cè)量體內(nèi)形成明暗相間的干涉條紋。當(dāng)云霧粒子穿過條紋區(qū)域時(shí),會(huì)依次散射出光強(qiáng)隨時(shí)間變化的一列散射光波,即“多普勒信號(hào)”。光線以不同角度入射到粒子球體內(nèi),在空間內(nèi)途經(jīng)的光程不同,這意味著抵達(dá)3個(gè)并排放置的光電探測(cè)器存在時(shí)間差,光電探測(cè)器接收的散射光存在相位差[20]。3個(gè)探測(cè)器的相位差存在如下關(guān)系:利用相位差可求得液滴粒徑:

式中:d為液滴粒徑;fR為接收器透鏡的焦距;δ為干涉條紋間距;k為尺寸斜率因子;λ為散射光的空間波長(zhǎng);S為光電探測(cè)器之間的距離。

PDI-FPDR包含Channel 1(Small size range)和Channel 2(Large size range)兩個(gè)測(cè)量通道,即小粒徑通道和大粒徑通道,對(duì)應(yīng)的粒徑測(cè)量范圍分別為0.5～100．0μm和20．0～1000．0μm。3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞使用小粒徑通道進(jìn)行了云霧參數(shù)校測(cè)[18-19](如圖2所示,圖2中的儀器有3個(gè)白色探頭,上方為光學(xué)發(fā)射探頭,下方兩探頭為光學(xué)接收探頭),結(jié)果表明其能準(zhǔn)確測(cè)量粒徑小于100．0μm的小尺寸液滴。有文獻(xiàn)指出基于相位多普勒干涉方法的PDI設(shè)備對(duì)于球形液滴適用性較好[13,21],對(duì)于非球形液滴則存在測(cè)量誤差;而大尺寸液滴在運(yùn)動(dòng)過程中很容易發(fā)生變形,因而PDI-FPDR雖有大粒徑通道,仍需對(duì)其測(cè)量能力進(jìn)行評(píng)估,以正確認(rèn)識(shí)PDI-FPDR測(cè)量過冷大水滴的可靠度。

圖2 PDI-FPDR用于結(jié)冰風(fēng)洞云霧場(chǎng)校測(cè)Fig.2 PDI-FPDR used for icing wind tunnel cloud calibration

1.2 標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器

圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器。其工作原理為:推動(dòng)微流注射泵,液滴發(fā)生器中的液體從噴嘴噴出形成圓柱射流;受高頻電壓驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷振動(dòng),并將振動(dòng)傳播給圓柱射流;通過控制驅(qū)動(dòng)電壓的頻率與幅度,使圓柱射流在瑞利破碎模式下破碎成粒徑、速度相同的單分散液滴流。標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器產(chǎn)生液滴的粒徑取決于微孔片孔徑、注射泵流量、破碎頻率等3個(gè)參數(shù);調(diào)整這些參數(shù)至合適范圍,可產(chǎn)生粒徑大于100μm的大液滴流[22]。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器Fig.3 Standard droplet flow generator

1.3 Malvern粒度分析儀

Malvern粒度分析儀由英國(guó)Spraytec公司研制,廣泛應(yīng)用于噴霧液滴粒徑測(cè)量[13-14],如圖4所示。其主要技術(shù)參數(shù)為:粒徑范圍0．1～2000．0μm,采集頻率最高10 k Hz。工作原理為:液滴通過分析儀采樣區(qū)域時(shí),引發(fā)發(fā)射器所產(chǎn)生光束的散射,接收器測(cè)量散射光強(qiáng)度并反演液滴粒徑信息。散射光強(qiáng)度由安裝于接收器內(nèi)呈半圓形排列的一系列光電二極管來測(cè)量。一套曲線擬合程序?qū)⑸⑸涔鈴?qiáng)度的累積數(shù)密度轉(zhuǎn)換為噴霧液滴粒徑分布函數(shù)[23]。

圖4 Malvern粒度分析儀Fig.4 Malvern particle size analyzer

前期,3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞對(duì)Malvern粒度分析儀進(jìn)行了標(biāo)定,可以認(rèn)為該設(shè)備測(cè)量噴霧具有一定可靠性。本文利用該設(shè)備與PDI-FPDR開展對(duì)比研究。

2 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 PDI-FPDR標(biāo)準(zhǔn)液滴流測(cè)量不確定度評(píng)估

以標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器產(chǎn)生特定尺寸的大粒徑液滴流,使用PDI-FPDR對(duì)液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估PDI-FPDR的液滴粒徑測(cè)量不確定度。如圖5所示,將PDI-FPDR置于液滴流發(fā)生器下方,使兩個(gè)光學(xué)接收探頭中心距離液滴流發(fā)生器噴嘴出口150 mm,調(diào)整PDI-FPDR水平位置(左右和前后),使液滴下落時(shí)經(jīng)過PDIFPDR光學(xué)采樣區(qū)域中心。標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器參數(shù)設(shè)定及產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器參數(shù)及液滴粒徑Table 1 Parameters of droplet flow generator and droplet size

圖5 PDI-FPDR測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)液滴流Fig.5 Standard droplet flow measured by PDI-FPDR

液滴流發(fā)生器產(chǎn)生的液滴串下落穩(wěn)定后,打開PDI-FPDR小粒徑通道,使用配套的AMIS采集系統(tǒng)對(duì)液滴粒徑進(jìn)行采集測(cè)量,采集時(shí)長(zhǎng)15 s,連續(xù)采集3次,將平均值作為測(cè)量結(jié)果。小粒徑通道采集完畢后,切換至PDI-FPDR大粒徑通道,重復(fù)以上采集測(cè)量步驟。

以相對(duì)誤差γ1衡量PDI-FPDR對(duì)大尺寸液滴的測(cè)量準(zhǔn)確度:

式中:d0表示液滴流發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑;dP表示使用PDI-FPDR測(cè)量得到的液滴粒徑。

以偏差ν1衡量PDI-FPDR對(duì)大尺寸液滴的測(cè)量精度:

式中:d′P表示PDI-FPDR在15 s采集過程中任意時(shí)刻的液滴粒徑測(cè)量值;dP表示PDI-FPDR在15 s采集過程中液滴粒徑測(cè)量的平均值。

2.2 PDI-FPDR大液滴噴霧測(cè)量能力評(píng)估

通過3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞的98818型噴嘴產(chǎn)生大粒徑噴霧場(chǎng),使用PDI-FPDR和Malvern粒度分析儀(后文簡(jiǎn)稱Malvern)同時(shí)測(cè)量噴霧粒徑特征參數(shù),對(duì)比測(cè)量結(jié)果以評(píng)估PDI-FPDR大液滴噴霧粒徑測(cè)量能力。如圖6所示,在噴嘴測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將噴嘴豎直放置,噴口向下。噴口距離PDIFPDR和Malvern測(cè)點(diǎn)分別為500和300 mm,調(diào)整兩測(cè)量?jī)x器水平位置(左右和前后),使噴霧整體位于PDI-FPDR和Malvern光學(xué)采樣區(qū)域中心。噴嘴供水供氣條件設(shè)定如表2所示。

圖6 PDI-FPDR與Malvern測(cè)量噴霧Fig.6 Spray was measured by PDI-FPDR and Malvern simultaneously

表2 噴嘴供水供氣條件Table 2 Water pressure and air pressure of nozzle

實(shí)驗(yàn)開始后,調(diào)節(jié)供水供氣壓力至指定值,開始噴霧。噴霧穩(wěn)定后,同時(shí)使用PDI-FPDR和Malvern的采集系統(tǒng)對(duì)噴霧進(jìn)行采集測(cè)量。PDI-FPDR采集時(shí)長(zhǎng)15 s,連續(xù)采集3次,選擇通過率(Validation)最高的一次進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。Malvern采集時(shí)長(zhǎng)45 s,選擇某穩(wěn)定時(shí)段的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

以相對(duì)誤差γ2衡量PDI-FPDR與Malvern測(cè)量結(jié)果的貼合程度:

式中:D表示中值體積直徑(Median Volume Diameter,MVD),定義為小于該直徑的液滴體積與大于該直徑的液滴體積相等[24];DP、DM分別表示相同工況下使用PDI-FPDR和Malvern測(cè)量得到的D值。

3 結(jié)果分析

3.1 小粒徑通道液滴粒徑測(cè)量結(jié)果

使用PDI-FPDR小粒徑通道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)液滴流的結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?對(duì)于粒徑116．0μm的液滴,小粒徑通道測(cè)量準(zhǔn)確度高,相對(duì)誤差低,僅為－1．2%,但正負(fù)偏差的絕對(duì)值均在10μm左右;對(duì)于粒徑150．5μm的液滴,小粒徑通道測(cè)量正負(fù)偏差減小,但粒徑測(cè)量值偏低,相對(duì)誤差達(dá)到－21．7%;當(dāng)液滴粒徑大于189．0μm后,小粒徑通道測(cè)量值完全偏離液滴真實(shí)粒徑,相對(duì)誤差高達(dá)－70%左右。

表3 PDI-FPDR小粒徑通道液滴粒徑測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of droplet size in PDI-FPDR small size range channel

圖7顯示了小粒徑通道測(cè)量值偏離液滴真實(shí)粒徑的程度。粒徑在100．0～150．0μm區(qū)間內(nèi),小粒徑通道的測(cè)量結(jié)果比較接近標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑,當(dāng)粒徑達(dá)到189．0μm后,小粒徑通道的測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑。圖8顯示了采集過程中最大值和最小值偏離平均值的程度,正負(fù)誤差較小,說明粒徑測(cè)量結(jié)果離散程度較低,分布比較集中,精度較好。

圖7 小粒徑通道測(cè)量準(zhǔn)確度Fig.7 The measuring accuracy of small size range channel

圖8 小粒徑通道測(cè)量精度Fig.8 The measuring precision of small size range channel

從測(cè)量結(jié)果看,雖然小粒徑通道性能表現(xiàn)穩(wěn)定,但是測(cè)量大尺寸球形液滴誤差很大,主要原因是大液滴的粒徑已經(jīng)超出了小粒徑通道量程。因此,PDIFPDR小粒徑通道無法用于結(jié)冰風(fēng)洞過冷大水滴的測(cè)量。同時(shí),過冷大水滴云霧中也包含部分粒徑小于100．0μm的液滴,若采用分段測(cè)量方法,以小粒徑通道測(cè)量這部分液滴,則會(huì)使整個(gè)測(cè)量結(jié)果混亂,因?yàn)樾×酵ǖ雷R(shí)別的小液滴實(shí)際上可能是大液滴也可能是小液滴。因此,PDI-FPDR小粒徑通道不適用于過冷大水滴粒徑測(cè)量。

3.2 大粒徑通道液滴粒徑測(cè)量結(jié)果

使用PDI-FPDR大粒徑通道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)液滴流的結(jié)果如表4所示。可以看出,對(duì)于粒徑116．0μm的液滴,大粒徑通道測(cè)量準(zhǔn)確度高,相對(duì)誤差低,僅為0.3%,正負(fù)偏差較大;當(dāng)液滴粒徑大于150．0μm時(shí),大粒徑通道測(cè)量相對(duì)誤差約在5．0%～15．0%,準(zhǔn)確度較高,但正負(fù)偏差很大。

表4 PDI-FPDR大粒徑通道液滴粒徑測(cè)量結(jié)果Table 4 Measurement results of droplet size in PDI-FPDR large size range channel

圖9顯示了大粒徑通道測(cè)量值偏離液滴真實(shí)粒徑的程度?？梢钥闯?雖然有時(shí)偏大、有時(shí)偏小,但大粒徑通道的測(cè)量結(jié)果比較接近標(biāo)準(zhǔn)液滴粒徑。圖10顯示采集過程中的最大值和最小值明顯偏離平均值,說明粒徑測(cè)量結(jié)果離散程度較高,分布很分散,精度較差。

圖9 大粒徑通道測(cè)量準(zhǔn)確度Fig.9 The measuring accuracy of large size range channel

圖10 大粒徑通道測(cè)量精度Fig.10 The measuring precision of large size range channel

從測(cè)量結(jié)果看,大粒徑通道對(duì)大尺寸液滴測(cè)量的準(zhǔn)確度較好,但與小粒徑通道相比,精度較差,粒徑測(cè)量值分布很分散,因此大粒徑通道測(cè)量過冷大水滴粒徑會(huì)引入誤差,可靠度很低。分析認(rèn)為,大水滴在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生變形與破碎[25],對(duì)基于相位多普勒干涉方法的PDI設(shè)備形成干擾,從而影響測(cè)量結(jié)果的可靠性。

3.3 噴霧測(cè)量能力評(píng)估結(jié)果

圖11給出了PDI-FPDR大小通道與Malvern測(cè)量的不同水氣壓條件下噴霧的中值體積直徑D?？梢钥闯?隨著噴嘴水壓增大,Malvern和大粒徑通道測(cè)量的D增大,而隨著噴嘴氣壓增大,D會(huì)減小;小粒徑通道測(cè)量結(jié)果曲線沒有反映出噴嘴水氣壓對(duì)D的影響。

圖11 PDI-FPDR與Malvern噴霧MVD測(cè)量對(duì)比Fig.11 Comparison of MVD measurements between PDI-FPDR and Malvern

在pa＝0．02 MPa條件下,Malvern的測(cè)量值近似分布于75．0～225．0μm之間;在pa＝0．05 MPa條件下,近似分布于38．0～75．0μm之間。在pa＝0．02 MPa條件下,PDI-FPDR大粒徑通道測(cè)量值近似分布于125．0～280．0μm之間;在pa＝0．05 MPa條件下,近似分布于100．0～175．0μm之間。在pa為0．02 MPa和0．05 MPa條件下,小粒徑通道測(cè)量值近似分布于50．0～75．0μm之間。綜上可知,大粒徑通道測(cè)量結(jié)果與Malvern相比偏大。小粒徑通道測(cè)量D≤75．0μm的噴霧與Malvern結(jié)果比較接近;隨著噴霧真實(shí)D值增大,小粒徑通道測(cè)量值僅在75．0μm左右浮動(dòng),與Malvern測(cè)量結(jié)果的偏差也隨之增大。

圖12給出了PDI-FPDR大小通道與Malvern測(cè)量噴霧中值體積直徑D的相對(duì)誤差(DP和DM分別表示PDI-FPDR大小通道與Malvern測(cè)量的噴霧中值體積直徑)。可以看出:D接近75μm時(shí),小粒徑通道測(cè)量效果較好,誤差很小;D＞75．0μm后,小通道測(cè)量結(jié)果逐漸偏離噴霧真實(shí)值;與Malvern相比,大粒徑通道測(cè)量值一直偏大,且相對(duì)誤差有隨著D增大而遞減的趨勢(shì);在pa＝0．05 MPa、pw＝0．05 MPa條件下,相對(duì)誤差最大達(dá)154．7%。

圖12 PDI-FPDR與Malvern噴霧MVD測(cè)量相對(duì)誤差Fig.12 Comparison of relative error measurement between PDI-FPDR and Malvern

需要說明的是:根據(jù)前文標(biāo)準(zhǔn)液滴流的測(cè)量結(jié)果,大通道測(cè)量準(zhǔn)確度在15%以內(nèi),至少在100．0～240．0μm范圍內(nèi)具有一定可靠性,而該通道測(cè)量噴霧中值體積直徑D始終偏大,其原因可能是標(biāo)準(zhǔn)液滴流下落速度慢,而噴霧液滴運(yùn)動(dòng)速度快并發(fā)生變形,顯著影響測(cè)量結(jié)果,造成測(cè)量的差異。

圖13給出了pa＝0．02 MPa、pw＝0．20 MPa條件下PDI-FPDR小粒徑通道與Malvern測(cè)量噴霧液滴粒徑分布的對(duì)比?？梢钥闯?PDI-FPDR小粒徑通道和Malvern測(cè)得的噴霧液滴粒徑分布都具有顯著的單峰特征,其峰值對(duì)應(yīng)的液滴粒徑分別為50．5和96．0μm;Malvern測(cè)量結(jié)果中有近50%的液滴粒徑在100．0μm以上,而小粒徑通道測(cè)得的最大液滴粒徑僅為140．0μm,這進(jìn)一步驗(yàn)證了小粒徑通道會(huì)將大液滴識(shí)別為小液滴,從而造成測(cè)量誤差。

圖13 小粒徑通道與Malvern液滴粒徑分布測(cè)量對(duì)比Fig.13 Comparison of droplet size distribution measurement between small size range channel and Malvern

需要說明的是:在標(biāo)準(zhǔn)液滴流測(cè)量中,小粒徑通道測(cè)得的最大粒徑為117．9μm,更大的液滴則被測(cè)為50．0～70．0μm左右(如表3所示);而在圖13中,小粒徑通道測(cè)出了140．0μm左右的液滴,其原因可能是PDI-FPDR在測(cè)量過程中要進(jìn)行自身修正。

圖14給出了pa＝0．02 MPa、pw＝0．20 MPa條件下PDI-FPDR大粒徑通道與Malvern測(cè)量噴霧液滴粒徑分布的對(duì)比?？梢钥闯?PDI-FPDR大粒徑通道和Malvern測(cè)得的液滴粒徑分布也存在差異,主要表現(xiàn)在大粒徑通道測(cè)出的粒徑在0～100．0μm范圍的液滴數(shù)比Malvern少,測(cè)得的最大液滴粒徑僅為624．5μm,而Malvern測(cè)出的液滴在450．0～1143．0μm范圍內(nèi)均有分布。大粒徑通道測(cè)出的粒徑在100．0～350．0μm的液滴數(shù)明顯多于Malvern,導(dǎo)致該通道中值體積直徑D的測(cè)量值偏大。

圖14 大粒徑通道與Malvern液滴粒徑分布測(cè)量對(duì)比Fig.14 Comparison of droplet size distribution measurement between large size range channel and Malvern

4 結(jié) 論

本文采用標(biāo)準(zhǔn)液滴流發(fā)生器評(píng)估了PDI-FPDR的液滴粒徑測(cè)量不確定度,進(jìn)一步采用Malvern對(duì)比分析了PDI-FPDR的大液滴噴霧測(cè)量能力,得到以下結(jié)論:

1)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大粒徑液滴流,小粒徑通道無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量,其測(cè)量結(jié)果顯著小于真實(shí)液滴粒徑;對(duì)于大粒徑噴霧,小粒徑通道不適合測(cè)量中值體積直徑(MVD)大于75．0μm的噴霧,盡管實(shí)際噴霧的MVD值不斷增大,而該通道測(cè)量值僅在75．0μm左右浮動(dòng)。

2)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大粒徑液滴流,大粒徑通道可以較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)大尺寸液滴的測(cè)量,但精度較差;對(duì)于大粒徑噴霧,大粒徑通道測(cè)得的噴霧MVD與Malvern相比偏大。

3)小粒徑通道雖然能準(zhǔn)確測(cè)量過冷大水滴云霧中的小液滴,但也會(huì)將云霧中的大液滴識(shí)別為小液滴,造成測(cè)量結(jié)果混亂;大粒徑通道應(yīng)用于過冷大水滴粒徑測(cè)量,MVD測(cè)量值將大于實(shí)際值,測(cè)得的液滴粒徑分布與實(shí)際分布也會(huì)存在差異。