单液滴蒸发测试及数据处理方法研究进展

2021-01-12武召阳

航空发动机 2020年6期

王方，武召阳，任杰，高涵，金捷

（北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191）

0 引言

航空发动机燃烧室中的液体燃料雾化成液滴后蒸发燃烧，蒸发过程直接受到温度、粒径等因素影响，而单液滴蒸发特性对燃烧室两相燃烧组织设计、燃烧效率、污染排放等具有重要意义。

国内外学者对液滴蒸发过程做了大量研究工作，主要针对不同的环境温度、环境压力及来流速度对液滴直径与液滴温度产生的影响。普遍采用高速摄影和图像处理技术对液滴蒸发过程的物理过程进行其随时间的研究，同时利用液滴悬挂装置配合热电偶或光学装置对液滴温度进行测量。Javed 等[1-3]研究得到了液滴蒸发与温度、压力之间的关系，同时发现煤油液滴蒸发时存在微爆现象。Ghata[4]研究表面张力对液滴蒸发的影响，发现表面张力沿界面方向存在的梯度使液滴界面温度不均匀，即Marangoni 效应。该效应下液滴内的对流换热增强，蒸发更快，液滴温度较高。同时悬挂丝直径越大，Marangoni 效应愈明显[5-6]。李兴刚等[7]经对癸烷、Jet-A、Jet-A1 的替代燃料液滴直径分布和速度的测量，迭代得到了蒸发常数K的d2定律，为强迫对流条件下的液滴蒸发提供了一套有价值的数据。胡鹏[8]经试验发现液滴升温速率随对流强度增加而增加，液滴温度升高后扩散系数增加，液滴寿命显著减短。Dali Yang 等[9]比较了不同环境温度下纯煤油液滴与煤油凝胶液滴的蒸发率。由于煤油成分极其复杂，超临界状态蒸发研究以试验为主[10]。在研究液滴蒸发特性方面，王方等[11]通过试验发现不同对流速度下普通煤油的蒸发速率均大于航空煤油的蒸发速率，这说明普通煤油的蒸发规律不能完全适用于航空煤油。Santosh G 等[12]分别选用挥发性差异较大与相近的组分组成的液体燃料液滴，耦合存在较重组分与较轻组分的自由流，研究对双组分液滴蒸发特性的影响。龚景松等[13]发现单液滴煤液化油的蒸发特性介于煤油和柴油之间，蒸发时间与着火延迟时间随环境温度的升高而缩短，而液滴直径增大会导致蒸发时间和着火延迟时间增长。

本文对较新的单液滴蒸发测试技术、数据处理方法、造成蒸发试验误差的因素进行总结，旨在为单液滴蒸发试验装置的设计和测试技术的研究提供参考，为液滴蒸发试验开辟新的研究思路。

1 不同液滴蒸发装置

一般情况下，试验控制系统分为计算机、液滴生成、温控、液滴推进及工控机5 个模块。计算机模块主要负责温度、图像数据流的采集及图像处理；液滴生成模块负责液滴的生成及悬挂；温控模块负责试验容腔的加热和温度维持；液滴推进模块负责将生成的液滴送至高温试验区域；工控机模块负责控制液滴推进过程中步进电机的运作。

1.1 液滴生成方法及挂滴技术

通常由微量进样器提供液滴，液滴聚集在针头末端毛细纤维的尖端，并将液滴附着在挂丝上，如图1所示[14]；文献[15]提到液滴发生器通过调节输出矩形波电压信号的电压幅值和高电平持续时间来调节发生器喷射液滴的稳定性，产生的液滴最大直径误差不超过1%，液滴自由下落并最终到达石英挂丝焦点位置时间小于0.05 s；文献[16]中液滴供给是由5 ml 微型注射器通过软管与毛细金属管相连，液滴最终悬停在金属管管口处，如图2 所示，该方式一般用于挂滴法。

图1 液滴供给[14]

图2 液滴悬停[16]

国内外实现空间中固定液滴主要方法有飞滴法、悬滴法、挂滴法等[17]。飞滴法[18-20]的原理是液滴生成后做自由落体运动，优点是完全排除了挂丝影响，缺点是液滴运动会引起周围流场干扰，测量过程不连续[18]；悬浮法[21-23]的原理是通过气悬、声悬或磁悬浮等方法克服液滴自身的重力，从而达到液滴悬浮蒸发的效果，优点是消除了挂丝的影响，缺点是液滴会上下浮动，液滴图像测量不方便，文献[21]即用声悬法进行单液滴蒸发研究；挂滴法的原理是通过微量注样器提供液滴，用纤维丝或热电偶（细石英纤维丝[24-25]、十字叉丝[26-27]、K型热电偶[28]、R 型热电偶丝[29]）悬挂液滴，优点是悬挂的液滴可达到稳定蒸发的效果，且便于试验测量，缺点是液滴尺寸稍大，测量结果受到挂丝的影响。

1.2 挂滴式蒸发试验装置

在3 种挂滴方法中，由于挂滴法不考虑辐射换热对液滴蒸发的影响，易试验测量，挂滴时主要采用单根石英丝，端头设计成椭球形进行挂滴，被广泛应用于研究中，然而由于重力的影响，液滴在蒸发过程中非球形的程度较大。

为减小上述问题的影响，铃木真人等[30-31]设计的液滴蒸发装置中首次采用交叉丝方式来悬挂液滴，使得液滴形状更接近球形，如图3 所示。

图3 铃木真人等搭建的蒸发试验装置[30-31]

加拿大Verwey 等[32]搭建的高温高压高湍流单液滴蒸发装置采用垂直叉丝方式来悬挂液滴，可生成直径约为0.1mm 的液滴，是目前文献中可见的最小直径液滴，如图4 所示。

图4 Verwey 等搭建的蒸发试验装置[32]

现将不同试验环境下的蒸发试验装置做如下总结。

1.2.1 高温蒸发试验装置

华中科技大学张郁等[33-35]设计的高温单液滴挂滴式蒸发试验装置，可用于1200 K 的高温环境，如图5所示。

冯立岩等[36]搭建的单液滴挂滴式蒸发试验装置，原理与张郁等[33-35]的相似，可用于923K 的温度环境，如图6 所示。

图6 冯立岩等搭建的试验装置[36]

Watanabe 等[37-38]设计的液滴蒸发试验装置可用于1073 K 的温度环境。

由此可见高温蒸发试验装置的设计原理相似。在试验过程中应用一些辅助技术将提升试验装置的精准性，例如Gan 等[39]的试验装置（如图7 所示）采用同步触发技术，即在液滴蒸发开始时刻，同时触发液滴温度记录器和高速摄影进行记录。

图7 Gan 等搭建的试验装置[39]

1.2.2 高温高压蒸发试验装置

对于高温高压环境下的液滴蒸发研究，国外Hrioyasu 等[40]在高温高压下对丁烷和乙醇进行了试验；Ghassemi 等[41]搭建的高温高压煤油液滴蒸发试验台可实现高温873K、高压0.1～2.5 MPa 的要求，液滴直径约为1mm，如图8 所示。以上试验得到了较为系统的试验数据。

国内目前主要倾向于理论模型优化，且多局限于低压环境，如苏凌宇等[42]对低压环境及压力震荡环境下液滴的蒸发特性进行分析。而对高温高压环境下液滴蒸发特性缺乏细致研究。

刘松等[43]搭建了高温高压煤油液滴挂滴式蒸发试验装置，最高压力可达到10 MPa，温度可实现300～900 K 的调控，原理如图9 所示；靳乐等[44]搭建的试验台可实现4 MPa 压力的要求。

图8 Ghasssemi 等搭建的试验装置[41]

图9 刘松等搭建的高压试验装置[43]

二者均为目前国内能实现高压环境的试验装置，但试验原理有所不同。刘松等搭建平台的试验原理是在同一高压环境下设置高、低温2 个试验空间，在低温区生成的液滴通过机械结构迅速移入高温环境，研究高温高压的液滴蒸发特性；而靳乐等[44]的超临界环境是由压力和温度可调控的柱形容腔提供，不设置高、低温分离空间，直接采用壁面电热对容腔上方悬停器上的液滴进行加热，选用高压氮气对容腔进行加压，完成试验。原理如图10 所示。

图10 靳乐等超临界蒸发试验原理[44]

1.3 不同试验容腔设计

试验容腔设有观察窗口，用于投放高速摄影镜头与背景光源。有对流要求时，试验通道贯穿整个容腔。

研究液滴超临界蒸发特性时，超临界环境由温度和压力可调的柱形容腔提供，容腔外包裹硅酸铝纤维进行保温，压力控制由压力变送器、传感器、调节阀和控制仪共同完成[45]。研究液滴高温高压下的蒸发试验时，设计的试验容腔为高温高压容腔[46]；研究高温常压环境下的液滴蒸发特性时，试验容腔的形状一般为圆柱体[47-48]或长方体[49]，腔内固定有加热模块，腔外置有温控装置，试验容腔内部四周和底部均附有保温材料，以减少传热损失。对于有对流要求的试验，试验容腔设计成圆柱型或矩形通道，一侧与气流连通，另一侧用于液滴供给装置的进出[18，49]。而在常压及低温环境下，试验容腔一般不用保温材料[16]，如图11 所示。

图11 加热箱体设计[16]

1.4 液滴推进模块

液滴生成后，有些试验系统的液滴生成位置即为液滴图像测量位置（图3～5），消除液滴推进过程中的干扰因素；有些则需要液滴挂好后通过滑轨[47]（图6）或3 自由度位移台[45]或步进电机-滚珠丝杠模块[50]将其迅速推入高速摄影焦点位置。上述方法中3 自由度位移台的调节精度可达到0.005mm，如图12 所示；步进电机-滚珠丝杠模块运送液滴时间短的优点突出，同时运动精度高，如图13 所示。

图12 3 自由度位移台[45]

图13 步进电机-滚珠丝杠模块[50]

2 温度测量方法介绍

从试验角度看，研究主要集中在高温下液滴的蒸发特性，在辐射加热条件下液滴蒸发的试验研究[51]在国内外开展均较少。在测量多组液滴的温度等热化学量方面是一个挑战，有拉曼光谱、形态依赖共振（MDR、彩虹折射法和激光诱导荧光（LIF）等方法[52]。上述方法都有其各自的优点和局限性，而这取决于其基本原理。例如，对温度敏感的荧光团发出的荧光信号除了对温度有一定的依赖性外，一般还对其组成有一定的依赖性。在液滴温度的测量方法中，红外、双色激光荧光法等测量方法比传统研究方法有明显优势。传统测量液滴温度方法一般选用热电偶，文献[18]中直径为200 μm 的液滴直接挂到热电偶节点上，该热电偶可测量液滴温度，同时在液滴附近放置另一个热电偶测量气相环境温度，如图14 所示。

图14 传统液滴温度测量[18]

红外热像仪或红外摄像机的温度测量原理是基于辐射。红外摄像机捕捉1 个表面的红外发射信号，并预先校正，以转换在成像平面的每个像素的辐照强度为1 个温标。红外测温的优点是可连续测量液滴在整个蒸发过程中的温度变化，无接触测量，对液滴传热无影响，测量过程简单；但不同于普通红外测温对象的是，球形半透明的液滴的表面曲率和工质辐射物性等参数在液滴不同状态、不同位置下存在差异，故液滴表面曲率会影响表观发射率，需要对测量温度进行修正。目前对液滴表面红外测温的研究大多未考虑上述提到的差异影响，仅根据工质设置发射率，文献[53]中使用的红外摄像机（FLIR SILVER 校准范围为-5～200 ℃，精度为±1 ℃）捕获，可同时获得液滴温度和大小信息。红外摄像机耦合显微镜变焦镜头（FLIR G3-F/2）专门用于传输中程红外波长，该镜头放大倍数为3，工作距离约为40 mm。在液滴红外热成像上画1 条直径线，将线上的平均温度作为瞬态温度，但该方法未考虑液滴边缘效应。红外装置如图15 所示。

图15 红外摄像机（耦合显微镜头）[53]

图16 红外测量试验装置[54]

文献[54]中用红外摄像机（FLIR SC 5600）配备三脚架和G3 F/3.0 微距镜头来获取水滴团以及水滴团下水层的图像。分析红外热成像发现，水面悬浮液滴群的液滴顶部温度最低。该装置如图16 所示。同时使用绝对误差约为0.02 K 的接触探测器配置的小试管来直接测量水温。2 种测量方法的结合使得对水的红外测量的绝对试验误差仅为0.16 K。

文献[47]中研究了红外激光加热下液滴的蒸发特性，选用的红外摄像机型号为Flir-SC620。红外热像仪获取液滴温度的测量精度为±2%。由于液滴表面表观发射率从中心到边缘逐渐下降，会产生边缘模糊效应。试验装置如图17 所示。

图17 试验装置[55]

由Lavieille 等[56]发起的双色激光诱导荧光（2CLIF）被用来表征液滴温度。文献[57-58]采用双色激光诱导荧光法测量温度，装置如图18 所示。目前基于LIF 的温度测量的可行性已经深入地研究了几种烷烃混合物（异己烷、正庚烷、正癸烷、正十二烷和正十六烷）。为了表征液滴蒸发速率和速度，将温度测量与基于定量阴影成像的有效方法相结合。

图18 双色激光诱导荧光法[57-58]

上述传统与新兴方法均存在优缺点，例如激光彩虹测量方法目前实现了对水及无水乙醇进行液滴蒸发的测量，其余燃料如煤油、航空煤油因物性参数较为复杂，未开展相应研究。另外，传统测量方法试验炉温度可达1200 K，而新型方法对试验炉的要求较高，温度可设范围较低，需对试验炉改进设计。

3 液滴成像方法

高速摄影相机（图1、3～7、12）和CCD 相机作为传统的液滴成像工具应用广泛，成像系统易搭建且测量简单。相机成像条件需配备背景光源，并在加热容腔的前后两侧开设相机及光源投放窗口，窗口处安装石英玻璃以隔绝外界环境。对于高速成像，乙醇的帧率为1000 帧/s，煤油和柴油的帧率为3000 帧/s。空间分辨率在每个像素被增强到2 um 时使用显微透镜为高速和红外相机，进一步的细节在文献[59]中说明。但在高温环境下该方法的图像采集精度不能达到试验高精度的要求，在低温环境液滴蒸发量小时，不能得到液滴直径精确的微小变化，同时由于高速摄影数据采集量较大，人为筛选图像会产生一定的误差。Perrin[60]采用同步摄像方法得到了液滴的尺寸及速度。

相对于上述传统方法，新兴的激光彩虹方法具有高灵敏、高分辨率的优点，可用来测量液滴（柱）粒径分布、温度、浓度以及折射率等参数，测量的液滴直径达到微米量级，测量的直径变化可到纳米量级。彩虹信号采集的原理是采用高速线阵CCD，与面阵相机相比具有成本低及采集频率高的优点[16]。彩虹测量技术自提出以来，很多研究学者采用该方法来测量液滴直径微小变化，韩香娥[61]在彩虹测量理论利用Airy 的基础上，结合彩虹的ripple 结构完成了对直径及折射率微小变化的研究；Saengkaew 等[62]用该测量方法对液滴直径随温度变化情况进行了分析验证；Promvongsa J 等[63]应用彩虹的Airy 理论，通过彩虹测量方法研究了水和乙醇混合液滴的蒸发情况。然而，彩虹测量方法作为精密测量方法，对试验环境要求较高，搭建试验台相对高速摄影而言较困难。

4 图像处理技术

为了获得液滴蒸发曲线，赵鹏等[14]分别采用基于Image Pro 软件测量技术和Matlab 形态学原理对液滴图片进行处理，发现基于Image Pro 软件得到的液滴归一化直径偏大，而Matlab 图像处理结果更为准确。在提取液滴直径过程中，悬挂于热电偶或者石英丝上的液滴并非规则球形，同时挂丝也影响液滴数据的提取，这是数据处理中的难题。此时多采用将挂丝与液滴接触的地方直接剪去，误差较大。目前获取液滴直径数据的方法有如下几种。

4.1 利用液滴投影面积计算

张郁等[33-35]在处理热电偶丝悬挂液滴图片时，先利用Matlab 程序直接剪去热电偶丝，然后提取感兴趣区域，对图像进行二值化获取液滴投影部分的像素值，进而求出半径，数据处理原理如图19所示。

图19 张郁等处理液滴图像[33-35]

4.2 利用液滴面积积分求出液滴表面积来折算

Manjunath 等[64]没有剪去石英丝，直接从图像获取参数，利用公式计算液滴表面积，之后用式（1）、（2）计算液滴直径。该方法如图20 所示。

4.3 利用液滴面积积分求出液滴体积来折算

采用Matlab 程序剪掉热电偶丝，利用积分法计算液滴体积，从而求得液滴直径[36，43，65]，该方法计算精度较高，可达到±2.7%，原理如图21 所示。

图20 Manjunath 等计算液滴直径方法[64]

图21 付耿等计算液滴直径方法[36，43，65]

4.4 统计像素点面积大小而求

文献[50]中先通过形态学图像处理方法剪掉热电偶丝，建立圆形结构元，通过统计像素点面积大小，从而求得液滴直径，原理如图22 所示。

图22 液滴图像处理过程[50]

4.5 取相同截面面积下圆形直径折算

文献[44]通过Matlab软件提取液滴部分像素点，计算液滴部分的面积，折算该面积下液滴直径作为需要研究的液滴尺寸，原理如图23 所示。

图23 液滴直径计算原理[44]

4.6 采用光学方法计算

采用激光彩虹测量方法[16]，通过1 阶彩虹ripple结构来测量液滴直径和ripple 结构平移时对应的相位差，以此实现液滴直径微小变化的测量。均匀球1 阶彩虹fripple与直径d之间的线性关系如图24 所示。计算条件m=1.332；角度为137～145.2°；角宽度8.2°；FFT 数据点4096；直径1000～2000 μm。

图24 均匀球1 阶彩虹fripple与直径d 关系[16]

5 试验误差分析

对于红外热像仪来说，液滴温度方面产生的误差主要为仪器误差[54]，根据分析的发射率来修正。

液滴尺寸测量中的误差主要由以下因素引起：（1）液滴尺寸换算误差；（2）挂丝方式带来的误差；（3）挂丝带来的误差；（4）图像测量误差。其液滴生成误差主要为微量移液器原有误差，试验液滴体积为2.0 和1.0 时误差分别为1.5%和2.7%。赵鹏等[14]发现，采用K 型热电偶挂滴法拟合得到的液滴直径大于采用十字叉丝挂滴法得到的，如图25 所示；同时指出K 型热电偶对液滴直径测量影响较大。文献[18]中介绍液滴生成器生成的液滴直径误差不超过1%；而采用挂滴法，挂丝经过液滴内部会导致液滴体积相对扩大，挂丝穿过液滴中心位置时会产生最大的体积相对误差，可达到7.26%；图像测量时的直径由像素确定，由像素引起的相对误差为1.03%～3.75%，文献[50]中采用形态学图像处理技术剪掉热电偶丝误差为4.35%，低于文献[66]中剪掉热电偶丝的误差6.69%，而文献[18]中的液滴直径误差范围控制在±4%以内。因此在尺寸测量方面产生的误差可制定出试验中可行的规则，以保证试验的准确性及精度。