離軸全息成像測量三維氣動旋流低溫霧化場

宋閣，趙越，汪磊，劉濤，吳迎春, ，林文輝，吳學(xué)成

1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 412002 2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027

0 引 言

高海拔環(huán)境下的燃燒穩(wěn)定性與可靠再點(diǎn)火是航空發(fā)動機(jī)燃燒室重要的性能指標(biāo)，其中燃油噴嘴霧化特性對點(diǎn)火與穩(wěn)燃具有關(guān)鍵作用。在噴嘴近場發(fā)生燃油液滴一次至二次破碎過程，濃霧場內(nèi)液相結(jié)構(gòu)與粒徑空間分布決定下游稀相霧化場的發(fā)展。航空煤油溫度降至-30 ℃時，表面張力及運(yùn)動黏度增大，對霧化過程產(chǎn)生顯著影響。這些因素易造成低溫燃油條件下航空發(fā)動機(jī)冷啟動或高空熄火再點(diǎn)火成功率降低。同時，低溫下煤油的霧化粒徑增大，易導(dǎo)致燃燒惡化。因此，開展高海拔低油溫工況下近噴嘴霧化場實(shí)驗(yàn)測試，掌握噴嘴出口處的霧化形態(tài)及液滴顆粒信息，對噴嘴霧化規(guī)律研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

噴嘴霧化特性主要由穿透深度、霧化錐角、液滴索特平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）、液滴均勻度等參數(shù)衡量。針對下游稀相霧化場，發(fā)展了一系列較為成熟的光學(xué)測試技術(shù)。噴霧外部形態(tài)如穿透深度、霧化錐角等可由米氏散射技術(shù)、陰影法與紋影法進(jìn)行成像與測量。噴霧氣液兩相體積、質(zhì)量分布定量測量通常采用平面激光誘導(dǎo)熒光方法，尤其是在伴有蒸發(fā)現(xiàn)象的燃燒場景中。噴霧液滴粒徑、速度和濃度的同時測量可采用相位多普勒粒子分析儀、平面激光測徑與平面米氏散射、激光誘導(dǎo)熒光耦合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。液滴粒徑、組分和溫度的同時測量可采用彩虹折射儀，彩虹折射儀與相位多普勒分析儀都對液滴的球形度有一定要求，且彩虹術(shù)對溫度梯度參數(shù)較為敏感。針對近噴嘴濃相霧化場的光學(xué)測試研究難度較大，該區(qū)域存在動態(tài)的多相流，在噴嘴出口存在非球形液滴及瞬態(tài)非軸對稱的液膜、液絲結(jié)構(gòu)，噴霧濃度高且霧化結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些特征在低油溫工況下更為突出，使得上述光學(xué)測量方法難以實(shí)施。目前，對濃霧場中包裹于液滴群內(nèi)的完整液體結(jié)構(gòu)及其一次破碎過程高分辨成像可采用彈道光技術(shù)、結(jié)構(gòu)光照射平面成像技術(shù)或X射線成像術(shù)實(shí)現(xiàn)。

近年來，數(shù)字全息技術(shù)發(fā)展迅速，已成為離散微小顆粒三維測量的有效手段。數(shù)字全息可實(shí)現(xiàn)霧化場各截面位置的清晰成像，記錄非球形液滴等液相結(jié)構(gòu)，獲取液滴粒徑與三維位置信息，多應(yīng)用于液滴破碎實(shí)驗(yàn)、噴嘴霧化測試等。其中，離軸全息能夠消除全息圖中孿生像的干擾，得到與原物襯度相同的像，適應(yīng)近噴嘴強(qiáng)散射環(huán)境。皮秒脈沖激光離軸全息可實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴近場的三維霧化測試，通過進(jìn)一步減小激光脈寬，飛秒脈沖激光離軸全息可應(yīng)用于光密度更高的場景，例如對內(nèi)燃機(jī)中高壓柴油噴嘴近場包裹于密集液滴群內(nèi)的大液滴與液絲實(shí)現(xiàn)清晰成像。前人研究表明離軸全息技術(shù)是測量近噴嘴三維霧化參數(shù)的有效實(shí)驗(yàn)手段。

本文使用25 kHz皮秒脈沖激光離軸全息系統(tǒng)對某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴下游30 mm內(nèi)的近場三維霧化參數(shù)開展定量研究。搭建了基于皮秒脈沖激光離軸全息的RP-3航空煤油霧化測試實(shí)驗(yàn)平臺。在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，測試了油溫分別為28、-20、-40 ℃三組工況的近場霧化特性，獲取了含非球形液滴的近噴嘴霧化場清晰成像、液相結(jié)構(gòu)破碎霧化動態(tài)過程以及離散液滴粒徑與三維分布信息，為該型噴嘴性能評估及改進(jìn)設(shè)計提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)測試在脈沖激光離軸全息霧化測試平臺上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由油氣供給系統(tǒng)和光學(xué)測試系統(tǒng)組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用噴嘴為某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴，固定于線性電動位移臺上豎直向下噴霧。以噴嘴出口為y=0平面，水平方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閥方向，相機(jī)靶面與噴霧景深距離為z方向。實(shí)驗(yàn)用油為3號航空煤油RP-3，20 ℃時運(yùn)動黏度為1.814 mm/s，表面張力為0.024 5 N/m。

圖1 航空煤油RP-3霧化場脈沖激光離軸全息測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental setup of pulsed laser off-axis holographic imaging system for atomization measurement of RP-3

油氣供給系統(tǒng)由氣路與油路組成。氣路系統(tǒng)中，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)升壓、過濾器凈化后進(jìn)入噴嘴腔體，使用并聯(lián)的減壓閥與針閥對空氣壓力分別進(jìn)行粗細(xì)調(diào)節(jié)，并以腔內(nèi)的壓力表記錄實(shí)時氣壓值。油路系統(tǒng)中，伺服電機(jī)帶動齒輪計量泵，將煤油從油箱依次輸送至油水分離過濾器、制冷系統(tǒng)，經(jīng)過溫度、壓力傳感器后進(jìn)入噴嘴。煤油溫度由制冷機(jī)進(jìn)行PID動態(tài)控制。在低溫工況實(shí)驗(yàn)中，采用回油式供油方案，即加大低溫煤油在主油路中的流量以使油溫降至-40 ℃，通過調(diào)節(jié)回油支路針閥開度，控制煤油進(jìn)入噴嘴的壓力。

光學(xué)測試系統(tǒng)主要包含脈沖激光器、空間濾波與擴(kuò)束系統(tǒng)、分束立方、相干調(diào)制系統(tǒng)、信號同步器以及成像系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定，成像系統(tǒng)的等效像素寬度為15.2 μm，空間分辨率為1 280 像素×800 像素，高速相機(jī)滿幅幀速率達(dá)25 kHz。實(shí)驗(yàn)開始時，激光器接收同步控制器發(fā)出的信號，產(chǎn)生脈寬約700 ps、波長532 nm的激光。激光經(jīng)空間濾波后進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，形成直徑約50 mm的均勻直光束。光束經(jīng)分束立方后分為物光與參考光。物光經(jīng)空間相干調(diào)制后，穿過霧化場攜帶上顆粒信息，與參考光一同照射至相機(jī)靶面上生成全息圖。離軸全息成像的單一視場較?。?9.5 mm×12.2 mm），實(shí)驗(yàn)中，通過電動位移臺控制噴嘴在x、y方向移動：沿x方向每次移動15 mm，沿y方向每次移動11 mm。拼接后，可得到噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區(qū)域的完整霧化場圖像。

正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行系統(tǒng)誤差標(biāo)定。油氣供給系統(tǒng)壓力測控精度優(yōu)于0.5%，溫度波動范圍±1 ℃。光學(xué)測試系統(tǒng)的顆粒粒徑、空間位置測量精度以標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定。圖2為聚焦位置z=362 mm、重建范圍z=350～375 mm的標(biāo)定板重建結(jié)果。對500、200、50 μm標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)測量直徑分別為493.5、191.9、40.8 μm，測量標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.3、3.5、4.7 μm，均小于5 μm。x、y向定位精度為亞像素級。通過重建剛離開噴嘴的自由下落液滴獲取z向定位精度，約為150 μm。

圖2 高速全息標(biāo)定板重建結(jié)果Fig.2 Reconstruction result of calibration board in high-speed holography

本研究以高原高寒環(huán)境中低溫燃油條件下航空發(fā)動機(jī)冷啟動與高空熄火再點(diǎn)火問題為背景，旨在探討全息技術(shù)在低油流量工況下燃油霧化特性測試中的應(yīng)用，進(jìn)行了多組變氣壓、油壓、油溫的預(yù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：氣壓高于1 kPa時，將在一定程度上抵消低油溫對噴霧形態(tài)的影響；在高油壓工況下，燃油將沿油杯壁面流出，形成展開的空心霧錐，其近噴嘴霧化破碎過程與低油流量工況存在很大差異，本研究暫不涉及。綜合考慮，選擇隨油溫變化噴霧形態(tài)差異大、霧化場清晰且具有代表性的油壓0.03 MPa和氣壓1 kPa作為固定工況參數(shù)，分別進(jìn)行油溫28、-20、-40 ℃三組實(shí)驗(yàn)，測試不同油溫下氣動霧化噴嘴近場霧化特性。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 離軸全息重建

全息圖I（x，y）通過重建可以恢復(fù)物光波前的強(qiáng)度與相位，從而獲取顆粒的形態(tài)與空間位置信息。在滿足近軸近似的條件下，基于瑞利-索末菲衍射公式，可將離軸重建過程表示為：

式中：Г（u，v；z）表示重建光場的復(fù)振幅分布；λ為單色光波長；i為虛數(shù)單位；R（x，y）為參考光復(fù)振幅分布；（x，y）和（u，v）分別為全息平面和重建平面的坐標(biāo)；z為重建距離。

1.2.2 顆粒識別與定位

全息重建圖像的景深較小，僅有少部分顆粒處于聚焦?fàn)顟B(tài)。采用小波變換法對各截面的重建圖像進(jìn)行景深拓展，使所有顆粒聚焦于同一平面，得到景深拓展圖像。采用自適應(yīng)閾值算法對圖像中的顆粒進(jìn)行識別，獲取投影形貌、等效粒徑以及x、y方向定位，采用邊緣梯度最大方差法獲取顆粒z方向定位。詳細(xì)處理算法與流程參見文獻(xiàn)[26，30]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)處理，可以獲取全息圖所記錄的噴霧形態(tài)與三維顆粒場，作為后續(xù)統(tǒng)計與分析的依據(jù)。在油壓0.03 MPa、油溫-20 ℃、氣壓1 kPa工況下，對某幀全息圖進(jìn)行處理，得到了z=276.5 mm處重建截面及其景深范圍30 mm內(nèi)的顆粒場三維分布結(jié)果（如圖3所示），展示了數(shù)據(jù)處理的主要流程。

圖3 油壓0.03 Mpa、油溫-20 ℃、氣壓1 kPa工況霧化場瞬態(tài)全息圖及其z=276.5 mm處重建截面、三維顆粒場處理結(jié)果Fig.3 Transient hologram of spray under oil pressure of 0.03 MPa,oil temperature of -20 ℃, and air pressure of 1 kPa, its reconstructed slice image at z=276.5 mm, and 3D droplet distribution field processing results

2.1 近場噴霧形態(tài)與霧化動態(tài)過程

通過拼接6個視場的景深拓展圖，獲得不同油溫工況噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區(qū)域內(nèi)的噴霧形態(tài)清晰成像，成像結(jié)果包含非球形液滴、液膜、液絲等結(jié)構(gòu)。圖4為油壓0.03 Mpa、氣壓1 kPa下，油溫28、-20、-40 ℃時的近噴嘴完整霧化場成像。

拼接視場圖像表明，隨燃油溫度降低，噴霧形態(tài)發(fā)生顯著變化。如圖4（b）和（c）所示，在低溫工況下，燃油黏度與表面張力顯著增大，導(dǎo)致霧化錐角減小，在噴嘴出口傾向于形成液柱或液膜結(jié)構(gòu)。離開噴嘴出口的低溫燃油破碎為液滴需要更長的距離，在圖4中，油溫28、-20、-40 ℃工況下的破碎距離分別約為4、16、22 mm。低溫燃油霧化均勻度變差，小液滴隨氣流均勻分布于噴霧區(qū)，而大液滴趨向噴霧中心分布。與28 ℃噴霧相比，低溫噴霧的液滴數(shù)目密度顯著降低，粒徑增大，液相體積主要聚集于大型液體碎片、液膜與液絲中。

圖4 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下不同油溫工況近噴嘴完整霧化場成像Fig.4 Joint depth-of-field extended images of near-nozzle atomization field under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

圖5為油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，油溫28、-20 ℃時，在近噴嘴區(qū)域單視場連續(xù)12幀時間分辨景深拓展圖中截取的液膜與液絲破碎動態(tài)過程，每幀間隔40 μs。如圖5所示，在油溫28、-20 ℃工況下均可以觀察到清晰的霧化破碎動態(tài)過程。在氣動力作用下，噴嘴出口處體積較大的液體結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生擾動而形成液膜與液絲，與28 ℃工況相比，在-20 ℃工況下，近噴嘴液絲與大液滴數(shù)量明顯減少，液膜破碎過程更為明顯。圖5（a）和（b）中紅色箭頭所指為液膜形成與袋狀破碎的起點(diǎn)；液膜發(fā)生袋狀破碎后分離出液絲與大液滴（黃色箭頭所指）；液絲在氣動力與表面張力共同作用下拉長變細(xì)，斷裂收縮形成若干液滴，液滴繼續(xù)破碎霧化并向下游移動（綠色箭頭所指）。

圖5 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa、油溫28 ℃與-20 ℃時液膜與液絲破碎過程時間分辨成像Fig.5 Time-resolved imaging of liquid films and filaments breaking processes at oil temperature of 28 ℃ and -20 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

燃油溫度降至-40 ℃時，受黏度與表面張力影響，噴嘴出口燃油霧化速度趨緩。圖6為6張間隔25幀（1 ms）的近噴嘴區(qū)域單視場時間分辨景深拓展圖。在紅色方框內(nèi)，由于油杯邊緣環(huán)形出口氣流與液柱表面存在相對速度，產(chǎn)生K-H不穩(wěn)定性，液柱逐漸被周邊空氣拉扯為多枝狀液絲與液膜，隨后液膜被卷吸至高速射流區(qū)，被射流沖擊發(fā)生袋狀破碎，在液柱附近形成較多細(xì)小液滴以及離散液絲。液絲在氣動力作用下從主液柱上脫落，由單一液絲振蕩破碎為大液絲或伴生的一大一小雙液滴，如黃色方框內(nèi)所示。以上為低溫工況下單噴嘴射流霧化形成液滴的主要過程。

圖6 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，油溫-40 ℃時近噴嘴霧化過程時間分辨成像Fig.6 Time-resolved imaging of near-nozzle atomization process at oil temperature of -40 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

2.2 霧化液滴粒徑分布

對于濃霧場，景深拓展圖會出現(xiàn)各截面聚焦顆粒在投影面發(fā)生重疊的現(xiàn)象，使近噴嘴區(qū)域與霧錐中心區(qū)域的顆粒漏識別情況加重。盡管如此，由于顆粒粒徑參數(shù)、位置參數(shù)是針對單一重建截面進(jìn)行處理的，對可識別的離散顆粒，粒徑與定位參數(shù)可以準(zhǔn)確統(tǒng)計。本節(jié)對不同油溫工況噴嘴下游31.5 mm×31.5 mm×90.0 mm空間進(jìn)行粒徑統(tǒng)計分析。對每組工況中每一個視場采樣63幀圖像進(jìn)行重建與顆粒信息提取，采樣頻率為1 kHz。

對采樣顆粒進(jìn)行統(tǒng)計分析時，將粒徑范圍設(shè)為30～2000 μm，統(tǒng)計間距設(shè)為10 μm。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，粒徑超過500 μm的液滴數(shù)量占比低于1%，因此針對各工況下30～500 μm內(nèi)的液滴進(jìn)行統(tǒng)計并繪成粒徑分布直方圖，如圖7所示。

圖7 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，不同油溫工況近噴嘴霧化場粒徑分布統(tǒng)計Fig.7 Statistics of droplet size distributions in near-nozzle spray region under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

統(tǒng)計結(jié)果表明，在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa工況下，85%以上顆粒粒徑分布在200 μm以內(nèi)，其中30～40 μm粒徑范圍內(nèi)統(tǒng)計顆粒比例最高，均在15%以上。隨著油溫降低，粒徑分布峰變寬，小粒徑顆粒的占比明顯下降。

3組工況下霧錐截面與空間內(nèi)顆粒索特平均直徑（SMD）、顆粒數(shù)濃度分布如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中獲取SMD的方法是將空間分為若干1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm體素，將顆粒按三維位置歸入不同體素后統(tǒng)計計算其SMD。每組工況分別展示噴嘴下游14.5 mm處x-z橫截面、對稱軸截面以及三維空間SMD分布。截面圖中的黑色線條代表單一空間統(tǒng)計區(qū)域的顆粒數(shù)濃度分布，彩色云圖代表SMD分布。

圖8 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，不同油溫工況霧錐截面與空間粒徑分布Fig.8 Cross-section and spatial droplet size distributions under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

如圖8所示，在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa工況下，油霧顆粒在噴嘴下游14.5 mm處橫截面上基本呈圓形分布，霧錐中心粒徑大于邊緣區(qū)域，尚未出現(xiàn)空心錐分布特點(diǎn)。這是由于氣壓與油壓較低時，燃油重力占據(jù)主導(dǎo)，大部分燃油直接以液絲或液柱形式下落，并破碎為大液滴，中心區(qū)液滴遠(yuǎn)離環(huán)縫氣流高速區(qū)，二次霧化受阻，使得平均粒徑高于邊緣區(qū)域。

隨著油溫降低，霧錐截面與空間體積縮小，霧化場SMD明顯增大，液滴數(shù)量減少且霧化均勻性降低，霧化質(zhì)量顯著下降。28 ℃時，近噴嘴霧錐中心液滴粒徑分布約為300 μm左右，霧錐邊緣粒徑分布約在80～150 μm范圍，霧化均勻性高；-20 ℃時，霧錐中心出現(xiàn)大液滴，粒徑在450 μm左右，部分達(dá)650 μm以上；當(dāng)油溫低至-40 ℃時，霧化近場以大型液柱、液膜、液絲以及非球形液滴為主，大型液柱等結(jié)構(gòu)對霧化場中部分顆粒產(chǎn)生遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致近噴嘴區(qū)域離散顆粒識別數(shù)量降低，影響SMD統(tǒng)計結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著油壓升高，近噴嘴霧化場顆粒濃度顯著提升，液絲、液膜結(jié)構(gòu)的遮擋效應(yīng)更為明顯，不利于霧錐中心破碎小液滴的識別與量化。不過，本文研究結(jié)果表明，全息技術(shù)依舊有望對高油壓下離散液滴顆粒進(jìn)行識別及定位。對于近噴嘴液柱、液絲的形態(tài)量化處理，尚待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

采用25 kHz皮秒脈沖激光離軸全息系統(tǒng)對某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴下游30 mm內(nèi)的近場霧化過程進(jìn)行成像測試，獲得以下結(jié)論：

1）對油溫28、-20、-40 ℃三組工況噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區(qū)域的霧化近場實(shí)現(xiàn)清晰成像，記錄包含非球形液滴、液膜、液絲的典型霧化場結(jié)構(gòu)。動態(tài)可視化結(jié)果表明，隨油溫降低，燃油霧化破碎距離延長，霧化錐角減小，噴霧濃度與均勻性急劇下降。

2）對近噴嘴霧化過程實(shí)現(xiàn)40 μs間隔的時間分辨動態(tài)成像記錄。觀察到28、-20 ℃工況下典型的液膜袋狀破碎及液絲分解過程。記錄了-40 ℃工況下噴嘴出口液柱向多枝狀液絲與液膜結(jié)構(gòu)演化、液膜破碎、液絲剝落與振蕩破碎的完整霧化過程。

3）對油溫28、-20、-40 ℃三組工況霧化場中粒徑范圍30～500 μm的液滴進(jìn)行了統(tǒng)計分析，顆?？傮w粒徑在200 μm以內(nèi)，其中30～40 μm粒徑范圍內(nèi)顆粒數(shù)量占比最高，均在15%以上。

4）獲取了不同油溫下霧錐截面與空間粒徑分布信息。粒徑分布呈霧錐中心大、邊緣小的趨勢；隨油溫降低，霧化場SMD增大，霧錐中心粒徑由300 μm左右逐漸增大至650 μm以上；油溫降至-40 ℃時，霧化近場以大型液柱、液膜與液絲結(jié)構(gòu)為主。

本文研究結(jié)果表明，高速皮秒脈沖激光離軸全息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)霧化噴嘴近場低溫霧化過程的清晰成像與記錄。通過后期處理，可以量化得到近場三維霧化參數(shù)，為不同工況下航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、燃料霧化特性與機(jī)理研究提供技術(shù)支持。