压力式喷嘴雾化特性测定实验装置

田 昌, 胡晓红, 赵志军

(上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海 200093)

压力式喷嘴雾化特性测定实验装置

田 昌, 胡晓红, 赵志军

(上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海 200093)

为更好理解燃料雾化特性对于燃烧过程的影响，以微型燃气轮机喷嘴组为研究对象，搭建了喷嘴雾化特性测定实验装置。实验装置主要针对压力式喷嘴设计，在测量方法上，选用可视化的图像处理技术作为雾化参数测定手段。通过对拍摄得到的雾化颗粒的投影图像经过图像处理和特征提取，得到颗粒的粒径和浓度信息。测试实验结果，颗粒粒径测试结果与产品厂家提供参数相近，结果可信，也表明该实验装置可用于研究喷嘴组雾化特性。

压力式喷嘴; 雾化特性； 颗粒粒径； 图像法

雾化燃烧过程在汽车发动机、燃油锅炉、燃气轮机等动力装置中是常见的液体燃料燃烧方式[1-2]。为了让学生更好地理解和掌握液体燃料雾化燃烧过程和燃烧特性，建设了燃烧综合实验台、微型燃气轮机实验装置、余热锅炉综合实验装置等燃烧相关实验台，可以开展燃料燃烧、火焰传播速度测定、燃烧效率测定以及燃烧热平衡等多种燃烧实验。作为燃烧室关键部件之一的喷嘴的雾化特性直接影响燃烧室火焰稳定性、温度分布和燃烧效率[3]，但已有实验台并未设置相关内容。因此，设计一套喷嘴雾化特性测定实验装置，对喷嘴的雾化情况进行研究十分必要。常见的喷嘴雾化特性研究的方法有数值模拟和实验验证两种[4-5]，两种研究方法各有优劣，本文采用实验研究方法。雾化颗粒细度、雾化颗粒均匀度以及雾化颗粒浓度分布是研究喷嘴雾化流场须重点关注的参数。通常使用的测量方法有平面粒子图像测速仪[6-7]、激光粒度分析法[8]和图像法[9-10]等，各有千秋。

本文以某微型燃气轮机喷嘴组作为待测喷嘴，以柴油作为雾化介质，设计了喷嘴雾化特性测试实验装置，并选用CCD(charge-coupled device)图像分析法对喷嘴雾化柴油形成雾化流场进行测试。测试结果与喷嘴厂家提供参数进行比对表明，本文设计的实验装置能够用于喷嘴雾化特性测试，且CCD图像法测试结果可行。

1 图像法测量理论

图像法表征颗粒特性是利用CCD等图像传感元件，采集颗粒图像信息并进行分析。其优势在于能够利用成像技术直观地得到颗粒投影图像，从而实现对球形颗粒以及非球形颗粒的粒径测量，最终得到颗粒场的粒径分布信息和颗粒相的浓度信息[11-12]。

1.1 图像处理基本过程

本文对喷嘴雾化颗粒图像的处理流程大致如图1所示，首先对图像进行灰度化处理，消除色彩因素，提高处理效率；然后通过二值化操作来突出颗粒的特征信息，并在二值化之前进行图像滤波、图像增强和离焦模糊图像的复原等预处理工作，保证二值化精准度；再进行离焦模糊颗粒去除、粘连颗粒分割[13]等再处理工作；最后提取颗粒的特征信息。

图1 颗粒图像处理流程图

1.2 图像二值化处理

二值化就是将图像变成黑白图，从而使得图像能凸显出颗粒的轮廓等信息。而二值化的关键在于找到一个最佳分割阈值T，使得背景和颗粒之间的差异最大，有了阈值T就可以对颗粒的灰度图像进行分割，即:

(1)

其中f(x,y)表示图像的灰度。考虑到在雾化颗粒测量过程中的光线不均匀，因此在选取二值化方法时，需要适应光线不均匀的情况。经过对比分析，本文采用自适应二值化法。

1.3 粘连颗粒的分割

在实际的雾化流场中，液滴之间会发生碰撞，出现粘连现象。为准确测量颗粒粒径信息，本文使用分水岭算法分割粘连颗粒。这个过程主要通过两个步骤来完成：首先对图像的灰度值进行排序，然后在每一个极小值处开始搜索并进行标记，例如从某一极小值P处开始搜索，对于像素P1,首先判断其是否标记过，若没有标记过，则将其标记为和P一个区域，否则就继续搜索下一个像素点，直到最后所有的像素均有各自所属的区域。本文是对含有粘连颗粒的二值图像的分割。首先对它进行距离变换，突出各个集水盆，得到一系列局部极小值，然后再通过分水岭变换对图像进行划分，得到各个区域的分水岭，分水岭表示为一系列极大值点，将这些点置为黑色，则可得到分割后的图像。

1.4 颗粒特征提取

对工业相机采集到的原始颗粒图像进行上述一系列处理，使灰度图转化为二值图。二值图中包含两种像素，黑色背景部分，像素值为0；白色颗粒部分，像素值为1。计算图像中各白色颗粒部分包含的像素数，即每个颗粒的像素面积，记为s。颗粒像素直径d为

(2)

颗粒的实际测量直径dr可以由下式计算得到：

dr=d×p

(3)

其中p即为每个像素所代表的实际大小。对于雾化颗粒，由于其主要是圆球形和椭球形颗粒，采用圆形近似的方法来分析其相应的粒径和轮廓特征具有较好代表性。

2 喷嘴雾化实验装置

2.1 实验装置设计及实验

本文研究对象是压力式雾化喷嘴，设计的压力式燃油雾化特性测定实验装置总体示意图见图2。实验装置可分为燃料供给系统、喷嘴及喷嘴组、可视化雾化测定暗室、数据采集和控制系统、油气分离排出系统、燃油回收系统等6大部分。

图2 实验装置总体示意图

相比于测量空间，待测雾化颗粒很小。若采用自然光照射颗粒，则颗粒与背景对比度不够强，颗粒图像会显得模糊，因此本实验从侧面利用片光源(激光)照射颗粒，如图3所示。

图3 实验观测箱及测点布置图

2.2 雾化液滴粒度测量结果

实验采用的镜头为12 mm定焦镜头，光源为自然光和片光源。实验工况参数如下：实验介质为柴油，20 ℃时柴油黏度为3.8 cst，压力为0.45 MPa，流量为1.2 L/min，油温为18 ℃。实验过程中雾化颗粒图像测点如图3所示布置。图4和图5分别是采集到的雾化颗粒图片和经过处理之后的图片。

图4 实验采集得到的原图

图5 处理后的图片

保证实验工况不变，进行多次测试，表1为对各组实验的实验图片进行批量分析后得到的统计结果。从表中可以看出，实验测得的中位径(D50)与厂家提供参数存在一定偏差。第一组D50测试结果小于厂家数据，其余3组数据均大于厂家数据。分析认为第一组实验为雾化过程开始不久记录的数据，且数据记录时长小于后面3组，雾化流场内液滴分布在雾化起始阶段并不均匀，导致采集到的图像代表性不够而产生误差。第二组和第三组的D50实验结果基本一致。综观4组测量结果，虽存在一定偏差，但绝对偏差并不大，且数据变化总体趋势一致。

表1 各组实验结果及对比

2.3 雾化液滴浓度测量结果

喷嘴雾化产生的雾化颗粒数目在雾化流场内动态变化且其随时间波动较大。测量区内的浓度换算采用平均数目概念，表达式如下所示：

(4)

式中：N表示测量区的颗粒数，其可用某一时间段每张图像采集的平均颗粒数来代替；S即为测量区的大小，由CCD相机和镜头决定，经计算得到文中装置测量区大小为0.63 dm2。从表2中看出，4组实验测量结果基本一致。

表2 烟幕颗粒浓度测量

3 结论

开发喷嘴雾化特性实验装置无论对于教学还是科研都具有一定价值。随着CCD成像技术的不断发展，其直观、可视化和低成本的优势，使其在颗粒粒度和浓度测量中得到越来越多应用。在图像分析中，通过对图像进行图像滤波、图像增强和离焦模糊图像的复原等预处理工作，保证二值化精准度。通过离焦模糊颗粒去除、粘连颗粒分割等预处理工作保证提取特征信息的准确性。本文设计的压力雾化式喷嘴雾化特性实验装置并选用可视化的CCD成像技术作为特性参数测定方法，通过一系列实验验证，本装置可以用于燃料雾化特性测试且图像法测试结果可信。

References)

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Experimental device for measuring atomization characteristics of pressure nozzle

Tian Chang, Hu Xiaohong, Zhao Zhijun

(School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China)

In order to better understand the effect of the fuel atomization characteristics on the combustion process, and by taking the micro-gas turbine nozzle set as the object of study, an experimental device for measuring the nozzle atomization characteristics is built. The experimental device mainly aims at the design of the pressure nozzle. Regarding the measuring method, the visualized image processing technology is chosen as the measuring means of fog parameters. Through the image processing and the feature extraction of the projected images of the atomized particles which are filmed, the particle size and the concentration information are obtained. The experiment shows that the test result of the particle size is close to that offered by the manufacturers, and the result is reliable. It indicates that the experimental device can also be used to study the atomization characteristics of the nozzle set.

pressure nozzle; atomization characteristics; particle size; image method

G482;TK413.8

A

1002-4956(2017)10-0075-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.020

2017-04-20

上海高校本科重点教学改革项目(沪教委高[2014] 23)；上海理工大学教师发展研究项目(CFTD17007Y)

田昌(1987—)，男，山东兖州，硕士,实验师，研究方向为动力工程测控技术.

E-mail：tianchang1987@126.com