超声速雾化粒径二维分布测量系统设计

杨　辉，刘维来，冯志华，徐宝剑，高达睿

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

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

YANG Hui，LIU Weilai，FENG Zhihua，XU Baojian，GAO Darui

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

超声速雾化粒径二维分布测量系统设计

杨辉，刘维来，冯志华，徐宝剑，高达睿

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

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

YANG Hui，LIU Weilai，FENG Zhihua，XU Baojian，GAO Darui

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

摘要：为获得航空煤油在超声速气流中喷射雾化后粒径二维分布信息，设计了基于PLIF/Mie双光谱成像法的测量系统。介绍了PLIF/Mie双光谱测量原理，设计了测量实验平台，包括超声速风洞、煤油喷射系统、光路、成像系统和时序控制单元等。实验表明，该测量系统能应用于超声速雾化场的粒径二维分布测量研究。

关键词：煤油雾化；超声速气流；粒径测量；PLIF/Mie图像

中图分类号：TH741.4

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)07-0053-04

收稿日期：2015-03-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272309)

作者简介：杨辉(1988-)，男，四川达州人，硕士研究生，研究方向为雾化场仿真与光电测量技术；刘维来(1970-)，男，安徽六安人，博士，讲师，主要研究方向为测控技术和雾化场激光测量技术，通讯作者。

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

超燃冲压发动机是高超声速飞行器最理想的动力装置之一，是目前世界各国竞相发展和研究的热点领域之一。超燃冲压发动机的性能关键在于燃料(特别是液体燃料)的破碎、雾化和掺混过程。煤油超燃雾化现象和粒径测量极具挑战性，尽管该问题已得到广泛研究，但有待于发展雾化场粒径分布的精细在线测量方法，以便给煤油超燃发动机研制，特别是燃烧室设计和评价提供基础性数据。

非侵入式、高分辨率激光诊断在液体雾化场粒径测量中已广泛应用，正逐渐发展应用于超声速气流条件下的液体雾化。目前，已用于汽油机和柴油机喷雾燃烧流场测量[1]，包括PLIF、光散射、PDA/PDPA等。通过示踪粒子或燃料分子、自由基的荧光、散射光和吸收光谱，可得到雾化场粒径分布。Lin[2]利用PDA单点粒径测量方法 ，在孔径为1 mm、来流马赫数1.94情况下，测量了喷嘴下游水平和垂直方向不同点的粒径和液滴速度分布，这是国际上首次发表的超声速雾化场粒径在线测量数据，但PDA光路复杂，成本昂贵，对测试环境要求高。杨顺华[3]利用激光全息在线测量了煤油超燃热态和冷态雾化场粒径二维分布，采用已知直径丝线拍摄的干涉图像标定系统，但标定工作复杂，且存在沿光路有积分效应，数据量大且处理效率低。弹性/非弹性散射光成像测量粒径二维分布是近10年快速发展的技术，具有测量效率高、光路简单和提供信息量大等特点，适合环境恶劣雾化场的在线测量，具有较好的应用前景。在片光激发下，从统计意义上说，液滴发出的弹性/非弹性散射光强度分别与液滴的面积和体积成正比，采用组合的物理光学和成像方法，如PLIF/Mie成像，可测量雾化场粒径二维分布。刘存喜[4]利用PLIF/Mie成像测量方法，测量了航空煤油在低速条件下雾化场的二维粒径空间分布特性，但没有给出具体可靠的测量系统和标定系统设计。因此，结合现有光学测量方法优缺点，设计一个效率高、信息量大、适合超声速雾化场的测量系统。

1PLIF/Mie成像法测量原理

煤油为含有C=O键的混合物，易受激发产生荧光(不需添加示踪剂)，采用紫外激光(波长小于400 nm)激发，煤油能产生荧光且荧光波长范围为100～500 nm[5]。利用片激光激发航空煤油雾化场产生荧光(PLIF)和米氏散射光(Mie scattering)，用ICCD相机得到2种散射光图像，通过标定测量系统，经粒径反演和图像处理，得到片光截面的粒径二维分布。即PLIF/Mie成像测量方法。

(1)SMD为该单元区索特尔平均粒径值；IF和IM分别为该单元区荧光和Mie散射光由ICCD成像后的像素值和；di为单元区各粒子等效粒径；K和K1为系数。

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值与粒子和测量系统特性有关，可标定得到。IF/IM值与PLIF、Mie散射光强信号有关，可由ICCD成像得到。

2测量系统设计

2.1　测量系统组成

煤油超燃冷态雾化场粒径二维分布测量实验，在超燃冷态雾化场实验台完成，测量系统实验装置如图1所示。该平台配有小型超声速风洞系统、煤油喷射系统、光路系统、成像系统和时序控制系统等。该实验测量系统设计的目的，是将PLIF/Mie成像测量法应用于超声速雾化在线测量研究，并分析误差来源以及环境的影响。

图1　测量系统装置图

2.2　超声速风洞系统

小型超声速风洞系统如图2所示。主要包括稳定段、喷管、实验段和扩压段。气流由高压储气罐通过进气管道进入稳定段，稳定段内安装有蜂窝板和阻尼网，以消除来流漩涡，降低湍流度，提高气流均匀性。喷管是核心部件，作用是使气流压缩膨胀加速至所需马赫数。实验段内可布置喷孔、凹槽和支架等进行煤油雾化实验研究。扩压段可降低流速，使气流静压恢复，减小气流在风洞出口的总压损失。喷管设计为二维Laval喷管，为了减小边界层复杂气液流动对实验的影响，实验段扩张角设计为0.5°。实验段的前后侧面带有玻璃观察窗口，便于光学测量，为了减小玻璃对紫外光的吸收，玻璃材料为紫外熔融石英。在实验段的下壁面，可以根据实验需要自由安装带有喷孔的平板或凹槽的壁面结构。

图2　小型超声速风洞系统示意图

2.3　煤油喷射系统

煤油喷射系统如图3所示。主要有高压氮气、减压阀、煤油罐和雾化喷嘴组成。高压氮气通过减压阀可以产生0～2.5MPa的稳定压力，驱动煤油罐中的煤油通过雾化喷嘴进入超声速气流中进行雾化。在实验段，超声速气流与煤油射流相互作用并互相渗透，一起运动到下游。实验时需注意，每次做实验前，需要将煤油罐里的煤油添加到容积的90%以上，且减压阀调节应缓慢，逐渐增大氮气输出压力。实验做完后应排出煤油罐中的氮气，释放煤油压力。

图3　煤油喷射系统

2.4　光路系统

当其他条件相同，煤油荧光光强随着入射激光功率增大而线性增大。在未饱和的情况下，选用功率较大的激光器，会得到更强的荧光。激光器选用YAG激光器。激光器脉宽为10ns，脉冲频率为10Hz，波长1 064nm的最大脉冲输出能量为1.5J，经三倍频后泵浦光的波长为355nm、单脉冲能量约为850mJ。

在雾化场测量实验段要求片激光束或平面激光束截面为矩形，且其长和宽分别约为40mm和1mm。由于平行光束通过凹透镜和凸透镜组合系统能实现扩束，通过2个焦距不同的凸透镜组合能减束。因此，对于截面为圆形的光束，通过平凹柱透镜、凸透镜和平凸柱透镜三者组合能转换成片光。如图1所示。

2.5　成像系统

成像系统主要包括计算机、数据采集卡、WinView软件、双像装置、滤光片和ICCD相机，如图1所示。其中，双像装置的目的是对1个物体用1台ICCD相机同时拍摄2幅相同的物体照片，且为雾化场的瞬态信息，避免了利用1台ICCD和1台CCD相机同时拍摄的时序同步难的问题[6]，同时解决了用1台ICCD相机分时拍摄的雾化场图像光强比，来表示瞬态信息所带来的误差[7]。当355 nm的片激光激发雾化场中的煤油液滴时，产生355 nm的Mie散射光和390～510nm的荧光，所以成像系统中通过双像装置把荧光和Mie散射光分开成像，且需要使用滤光片，荧光成像光路应滤掉Mie散射光，而Mie散射光成像光路应滤掉荧光。由于Mie散射光强比荧光光强强得多，在用1台ICCD通过双像装置成2幅像时，Mie散射光会对荧光成像有干扰，应在Mie散射光成像光路中加1片减光镜，衰减Mie散射光强。荧光信号很微弱，对CCD灵敏度和信噪比要求高，实验中拟采用美国PI公司的PI-MAX产品ICCD，来获得荧光光谱图像。

2.6　时序控制系统

时序控制系统主要由激光器控制箱、ST133控制器和DG535组成，如图1所示。激光、荧光、Mie散射光的时间特性不一样。YAG激光器发出的脉冲激光周期内，Mie散射光寿命与激光单脉冲时长几乎相同，但是荧光的产生具有一定的滞后，且延续一段时间，通常为100 ns以内[8]。实验中，使用DG535数字延时脉冲发生器，来控制ICCD拍摄时序。其延时分辨率高达5 ps，通道之间的抖动小于50 ps。激光器控制箱输出一路脉冲信号T输入DG535。DG535有4路输出通道(A，B，C，D)，分别输出控制信号到ICCD相机，控制ICCD拍摄。C通道输出，信号控制快门打开；D通道输出，信号控制快门关闭；A通道输出，信号控制像增强器打开；B通道输出，信号控制像增强器关闭。其时序关系如图4所示。

图4　ICCD拍摄时序

3测量系统的标定

3.1　标定方法

(2)同理，利用PDA测量法和PLIF/Mie成像测量法测量多个单元区域，再利用式(2)，可得到一组 (IF/IM，K)值。最后利用最小二乘法多项式拟合，得出IF/IM和K关系曲线。

由ICCD得到的PLIF和Mie散射光图像，通过算法可得到图像对应单元区IF/IM值。根据式(1)，结合定标得到的IF/IM和K曲线，可反演出各单元区SMD值，从而得到片激光成像截面SMD分布。选择标定雾化场中某些空间点，用PLIF/Mie成像测量法测量粒径值，再用PDA测量其粒径值，比较2种方法得到的粒径值，可验证PLIF/Mie测量方法的有效性，并分析误差及其来源。

3.2　标定实验装置

实验测量系统的标定在低速或者静态雾化场中进行，其实验装置如图5所示。当进行PDA标定时，不需片激光进入雾化区。当用ICCD成像测量时，PDA发射激光不进入雾化区。需要说明的是：测量系统标定实验装置中的光路系统、成像系统、时序控制系统均与第2节的测量系统对应部分相同。当测量系统标定好以后，在保证ICCD相机成像参数、实验条件、激光能量和光学透镜参数等不变的情况下，将其应用于超声速雾化在线测量中的结果才是有效的。

图5　实验测量系统的标定实验装置

4结束语

介绍了PLIF/Mie成像法的基本原理、测量系统的构成和标定。对超声速雾化场采用双像装置和ICCD组合成双像的方法，可以获得瞬态信息，节约了实验成本，简化了系统时序控制方法。与其他传统的粒径测量方法相比，PLIF/Mie成像法应用于雾化场，特别是超声速雾化场的粒径测量具有很大的优越性。

参考文献：

[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]杨顺华.超声速气流中的射流雾化实验和数值模拟[R].合肥:中国科学技术大学，2010.

[4]刘存喜.多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究[D].北京：中国科学院大学，2012.

[5]田广军，尚丽平，史锦珊．油类三维荧光谱测量及其指纹图统计特征[J].仪器仪表学报，2004，25(4):819-823.

[6]张钟秀，刘维来，王克逸.超声雾化场粒径Raman/Mie双光谱测量系统设计[J].机械与电子，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]张少华，余西龙，张新宇.RP-3型航空煤油荧光光谱研究[C]//LHD2013夏季学术研讨会.河北平山，2013:34-45.