激光相位多普勒粒子測(cè)速儀在噴霧霧化特性試驗(yàn)中的應(yīng)用

激光相位多普勒粒子測(cè)速儀在噴霧霧化特性試驗(yàn)中的應(yīng)用

0激光噴霧測(cè)量廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。根據(jù)使用要求，有幾種類(lèi)型的噴霧?？傮w上,霧化質(zhì)量是由霧滴群的平均尺寸、尺寸分布、噴霧霧化角以及流量密度分布等特征參數(shù)來(lái)表征的,其主要指標(biāo)有霧滴的粒徑、速度及其分布、霧化角、霧化粒度等。傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量霧滴粒徑的方法無(wú)法獲得三維噴霧場(chǎng)的結(jié)構(gòu)信息。在霧滴的激光測(cè)量技術(shù)中,馬爾文粒度儀、粒子圖像測(cè)速儀(PIV)及激光多普勒測(cè)速儀(LDA)被廣泛地運(yùn)用于噴霧研究。但前者只能測(cè)量霧滴的空間平均粒徑分布,卻不能測(cè)量速度分布,后兩者正好相反。而近10年發(fā)展起來(lái)的相位多普勒粒子分析儀(PDPA)已成為測(cè)量噴霧粒子及其他球形粒子大小和速度特性公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)工具。PDPA完全克服了以上各種方法的缺陷,為研究噴霧的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了良好的測(cè)試手段。多年來(lái),Thompson、Miller、Smith等人先后建立了霧滴空間運(yùn)動(dòng)軌跡模型以預(yù)測(cè)噴嘴霧化特性,但因受到試驗(yàn)手段的制約各種模型均有缺陷,更細(xì)致的研究工作必然依賴(lài)于對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量。為此,本文介紹了利用PDPA技術(shù)測(cè)量噴霧霧滴速度、粒徑、霧化角及霧滴數(shù)的原理,并運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)不同噴嘴壓力條件下的噴霧場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,以進(jìn)一步闡明PDPA技術(shù)在噴霧試驗(yàn)研究中的特性與優(yōu)勢(shì)。1pdpa介紹1.1軟件系統(tǒng)組成本文所采用的PDPA測(cè)試系統(tǒng)由丹麥Dantec公司生產(chǎn),該系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件包括激光器、光學(xué)系統(tǒng)、三維坐標(biāo)架、信號(hào)處理器,其中光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)射單元和接收單元;軟件是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)BSA。PDPA系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2測(cè)量原理(1)速度的獲得與檢測(cè)與LDV測(cè)速原理相同,即利用接收到的運(yùn)動(dòng)粒子的散射光的多普勒頻移獲得粒子的速度信息。多普勒頻移與粒子移動(dòng)速度之間的關(guān)系式為:v=fδ(1)δ=λ2sinγ/2(2)v=fδ(1)δ=λ2sinγ/2(2)式中:f為多普勒頻移;λ為入射光的波長(zhǎng);γ為光束入射角。(2)檢測(cè)條件i利用不同探測(cè)器接收到的散射光的相位變化求得粒子的粒徑信息,用計(jì)算式表示為:Φi=αβi(3)α=πn1λD(4)Φi=αβi(3)α=πn1λD(4)式中:Φi為探測(cè)器接收到的一個(gè)多普勒脈沖的相位;βi為幾何因子,由散射模型及光路設(shè)置參數(shù)而定;n1表示散射介質(zhì)的折射率;λ是激光在真空中的波長(zhǎng);D為粒徑。(3)霧化角的確定由于從噴嘴噴射出的霧化角及霧化形狀受外界因素的影響較大,如噴射壓力和風(fēng)速等。因此,噴霧圖像不是很規(guī)則,邊緣往往不是直線,因而對(duì)噴霧角的計(jì)算國(guó)家尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有霧化角的確定方法有以下幾種:出口霧化角、條件霧化角、根據(jù)射流邊界有明顯直線部分測(cè)定霧化角。按照條件霧化角的定義,利用PDPA可方便地測(cè)定各種條件下的噴霧霧化角,其中噴霧邊界可采用在取樣時(shí)間內(nèi)采集到的某一數(shù)值的樣本數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)加以確定。(4)主要表adi除了可以測(cè)量霧滴尺寸和速度外,PDPA還可以用來(lái)測(cè)量霧滴數(shù)分布。其表達(dá)式如下:N=1T∑i∑jtij(di)Ωi(di)(5)Ωi(di)=Ai(di)Wi(d)i(6)Ai(di)=π4[rm(di)]2(7)Ν=1Τ∑i∑jtij(di)Ωi(di)(5)Ωi(di)=Ai(di)Wi(d)i(6)Ai(di)=π4[rm(di)]2(7)式中:N為霧滴數(shù)密度;T為所有霧滴渡越測(cè)量體的總時(shí)間;tij(di)為粒徑為di的霧滴渡越測(cè)量體的時(shí)間;Ωi(di)為粒徑為di的霧滴穿過(guò)測(cè)量體的體積;Ai(di)為測(cè)量體在與粒徑為di的霧滴的速度方向垂直的平面上的投影面積;Wi(di)為粒徑為di的霧滴穿越測(cè)量體的長(zhǎng)度;rm(di)為有效測(cè)量體半徑。1.3頻率加重引起的誤差PDPA測(cè)量系統(tǒng)本身存在一定的測(cè)量誤差。在測(cè)量中得到的多普勒頻率不是一個(gè)單一的頻率,而是具有一個(gè)寬度,即多普勒頻率譜線加寬。這種加寬現(xiàn)象將引起測(cè)量誤差。產(chǎn)生加寬的原因很多,如散射微粒在測(cè)量體中的有限渡越時(shí)間、被測(cè)速度場(chǎng)中的速度梯度及微粒的布朗運(yùn)動(dòng)等。頻率加寬引起的誤差可以通過(guò)與被測(cè)流場(chǎng)相匹配的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置來(lái)抑制。在數(shù)據(jù)處理時(shí),同時(shí)采用鎖相位平均法對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。考慮上述各項(xiàng)誤差,運(yùn)用PDPA進(jìn)行噴霧試驗(yàn)時(shí),測(cè)速精度可達(dá)0.2%,粒徑測(cè)量精度為0.5%,霧滴數(shù)及霧化角測(cè)量精度為1%。2pd-p測(cè)試的應(yīng)用示例2.1長(zhǎng)焦距光柵接收系統(tǒng)為體現(xiàn)PDPA測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量上述噴霧參數(shù)方面的性能優(yōu)勢(shì),本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的測(cè)試裝置。其中噴嘴選擇普通的旋流壓力霧化噴嘴,孔口直徑為0.8mm。采用二維測(cè)量,發(fā)射光路系統(tǒng)分別為Uy、Uz,并且對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為488nm、514.5nm。鑒于裝置實(shí)際布置狀況,為方便測(cè)量采用后向接收模式,接收角度為30°;同時(shí),為防止霧滴漂移至2個(gè)探頭表面,采用長(zhǎng)焦距透鏡,即發(fā)射透鏡焦距為1000mm,接收透鏡焦距為500mm。本文采用以下方案進(jìn)行測(cè)試:環(huán)境溫度25℃,相對(duì)濕度68%,試驗(yàn)介質(zhì)為水,噴嘴壓力為0.3MPa、0.4MPa,對(duì)應(yīng)流量分別為688mL/min、746mL/min。所設(shè)定的坐標(biāo)系統(tǒng)為:沿噴霧場(chǎng)中心線方向?yàn)榭v向(z軸),沿發(fā)射探頭方向?yàn)闄M向(y軸),縱橫向垂直相交且交點(diǎn)在橫向上的坐標(biāo)為零,在橫向上逐點(diǎn)掃描所形成的5條測(cè)量線間隔為100mm,第1條測(cè)量線與噴嘴的縱向距離為50mm。2.2測(cè)試結(jié)果(1)噴霧邊界的測(cè)定表1給出了2種噴嘴壓力條件下,噴霧場(chǎng)霧化角度的變化。所選取的計(jì)算基準(zhǔn)是與噴嘴距離為450mm的測(cè)量線,確定噴霧邊界的標(biāo)準(zhǔn)為:在30s取樣時(shí)間內(nèi)采集到的樣本數(shù)低于30個(gè)為噴霧場(chǎng)的外邊界。由表1可知,噴嘴壓力增加導(dǎo)致霧化角加大,噴霧面積也隨之?dāng)U大。利用PDPA測(cè)試系統(tǒng),采用條件霧化角的測(cè)量概念,可以直接測(cè)定噴霧霧化角。(2)壓力、粒徑及分布分布對(duì)噴霧運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響圖3示出不同噴嘴壓力條件下霧滴速度及以體積中徑表示的粒徑分布。圖3中速度和粒徑的標(biāo)尺均為該工況下噴霧場(chǎng)中2種參數(shù)的平均值。由圖3可知,隨壓力的加大,霧滴平均粒徑值大為減小而速度值有所增加,且2種參數(shù)分布的均勻性和對(duì)稱(chēng)性也得到較大改善。這是由于在高壓下,液體從噴嘴噴出時(shí),較高的內(nèi)外壓力差及與空氣較強(qiáng)的撞擊力,使其易于破裂霧化成較細(xì)霧滴;同時(shí),霧滴在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的能量均與其粒徑相聯(lián)系,粒徑分布的均勻性又促使其速度分布趨于均勻。結(jié)合分布狀況可知,噴嘴壓力增加后霧化性能大為提高。圖3測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了PDPA測(cè)試系統(tǒng)在噴霧試驗(yàn)研究中所具有的較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于霧滴速度、粒徑及其分布這些衡量霧化質(zhì)量的指標(biāo),能同時(shí)精確測(cè)量。因此,運(yùn)用該系統(tǒng)可方便地分析、考察不同測(cè)試條件下噴霧場(chǎng)的主要運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)狀況。(3)霧滴數(shù)分布。圖4為不同噴嘴壓力條件下噴霧霧滴數(shù)的三維等值線圖?？梢?jiàn),在不同測(cè)量線上,霧滴數(shù)目最多的部位一般處于噴霧中心與噴霧邊緣的中間,表明在這些位置,卷吸進(jìn)入噴霧場(chǎng)的空氣與霧液之間動(dòng)量交換劇烈,霧滴發(fā)生分裂的幾率遠(yuǎn)大于發(fā)生非彈性碰撞、聚合的幾率,因而被迅速破碎成數(shù)量眾多的小霧滴;同時(shí),壓力增加后霧滴數(shù)明顯增多,在較高壓力下破碎機(jī)制的強(qiáng)化是霧滴數(shù)增加的主要原因。噴霧場(chǎng)中,霧滴數(shù)的分布狀態(tài)在很大程度上決定了霧化質(zhì)量,PDPA測(cè)試結(jié)果直觀、明了,可為相關(guān)器械設(shè)計(jì)及性能預(yù)測(cè)提供參考。3霧化數(shù)學(xué)模型的建立與其他非接觸式測(cè)試儀器相比,PDPA測(cè)試系統(tǒng)在噴嘴噴霧試驗(yàn)研究中具有較大的優(yōu)勢(shì),它能完整地反映包括霧滴速度、粒徑及其分布、霧化角、粒子數(shù)在內(nèi)的噴霧場(chǎng)的各種重要信息。這些信息的獲得不僅為認(rèn)識(shí)霧滴的空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)提供幫助,也為建立噴嘴霧化數(shù)學(xué)模型及相關(guān)器械設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(1)對(duì)于霧滴速度、粒徑及其分布這些衡量霧化質(zhì)量的指標(biāo),PDPA測(cè)試