几种喷雾效果检测技术的对比分析

刘定平 陈沛东

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510641)

几种喷雾效果检测技术的对比分析

刘定平 陈沛东

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510641)

由于雾化技术已广泛应用于各行各业，因此，对雾化效果的准确检测和评价显得十分必要。研究了国内外常用雾化效果检测技术的最新进展情况，分析了机械、电子和光学测量法三类雾化效果检测技术的特点及应用情况，总结了各类方法的优越性和局限性。最后，提出了不同工况下各类雾化效果检测方法的适用性。

喷雾技术 雾化效果 机械测量 电子测量 光学测量 适用性

0 引言

雾化技术是一种将液体或液-固悬浮体分散成细小滴粒的实用技术，它可以提供巨大的相间接触面积。目前，雾化技术按雾化方式主要可分为机械雾化、介质雾化和超声波雾化等。其中，超声波雾化是20世纪80年代末90年代初以来新发展的喷雾技术，其雾化颗粒细小、效果优良。雾化技术已得到广泛应用，对电力、化工、冶金等众多行业都具有重要意义。

雾化效果的检测是测试和评价雾化器喷雾效果不可或缺的环节。科学准确地检测评价雾化效果对提高喷雾效率、降低能源消耗以及优化产品结构具有较大的推动作用。对不同雾化效果检测技术的适用性研究可为雾化效果检测方法的选用与完善提供参考。

1 雾化效果检测方法分析

研究发现，雾化效果的检测方法大致可以分为三类，分别是机械测量法、电子测量法和光学测量法。这些方法各自具有不同的特点。

1.1 机械测量法

机械测量法是早期的传统雾化效果检测方法，其主要思想是收集保存喷雾液滴，然后进行测量和分析。机械测量法主要包括收集法、液体固化法、液浸法、沉降法和压痕法等。

收集法由集液箱收集雾化液滴，可测量液滴的体积、质量以及喷雾的混合比、流强等参数，是现在仍然使用较多的机械测量法。吴晋湘等人设计了一种两相探针，探针内有夹层壁与楔形口相连，楔形口使液雾不能进入夹层，液雾流入密闭的收集箱被收集［1］。该装置可应用于常压和反压下的测量。收集法测量准确，但装置布置较为复杂，现常用于检查与标定光学测量法［2］。Jung K等人使用收集法检查平面激光诱导荧光技术测量的准确性［3］。

液滴固化法通过固化液滴保存喷雾结果，然后进行测量，主要包括冷冻法和熔蜡法。冷冻法是通过冷冻环境使喷雾冷冻沉积，拍摄粒子沉积情况以进行分析测量。熔蜡法是在喷射系统中使熔蜡处于与燃油性质相似的状态，再将熔蜡喷射到常温环境使其固化，从而进行测量。

液浸法是把喷射液喷到与之不相溶的接受液中，保存液滴的形状，拍摄雾化液滴悬浮或沉积的情况，以测量评价。该方法要求接受液与液滴不相溶、黏度大、性质稳定，以便于摄影，且密度比被测液滴小。由于轻质柴油等石油产品难以找到合适的接受液，故该方法不适用于此类产品，且采用该方法也要考虑在接受液中液滴速度较快、出现互相溶合等现象给测量带来的影响［4］。

沉降法根据不同质量的物体在自由下落时所受空气阻力不同的原理，利用沉降塔测定雾化液滴的尺寸大小分布。在沉降塔上下分别置有喷射装置和记录天平。雾化粒子由大到小落下，根据天平的载重测定粒子大小分布。该方法要求沉降塔足够高，因此在实验室较难实现，且雾化粒子的蒸发会造成误差。

压痕法是在一块玻璃上涂氧化镁，并在底部加热使涂料层软化，通过粒子撞击玻璃留下的痕迹来反映粒子的直径。采用该方法需重复进行试验，如果液滴速度过快，会在碰撞时发生破裂;玻璃上也可能有多个粒子撞击留下的痕迹，使测量不够精确。该方法不受喷雾液滴蒸发的影响，可长时间保存喷雾痕迹，适用于高温和燃烧环境。

1.2 电子测量法

电子测量法是通过分析雾化液滴产生的电脉冲得到液滴粒径分布图谱的统计方法，主要有电极法、导线法和热线法。

电极法是将存在电位差的电极放在喷雾场，通过测量雾化液滴表面电阻产生的电脉冲数目确定液滴数目，并调整电位的间隙测量直径。该方法会由于运动液滴表面电阻随运动速度变化，对系统敏感度的高低造成误判。

导线法将导线放在雾化场，测试由雾化液滴撞击导线引起的电子量变化，并将其转换为电脉冲，以测量雾化液滴的粒径和数目。该方法要求雾化液滴具有良好的导电性。

热线法将通电热探头放在雾化场，通过液滴撞击探头蒸发带走的热量确定粒子的直径，并根据产生的电脉冲确定数目。热线法是目前应用较多的电子测量法，它能测量的最小直径为5 μm［5］。该方法要求液滴速度不能超过10 m/s［5-6］，故不适用于高速喷射雾化的测量。

1.3 光学测量法

光学法能对喷雾场实现无干扰检测，现已发展为应用广泛的先进雾化评价方法。光学法主要分为摄影法和非摄影法。摄影法主要包括直接摄影法、粒子图像速度场仪(particle image velocimetry，PIV)法和激光全息摄影法等。

直接摄影法采用相机直接对喷雾场进行拍照，通过图像分析软件处理图片，并进行分析测量。采用直接摄影法研究液膜破碎的特性试验系统如图1所示［7］。

图1 直接摄影试验系统图Fig.1 Direct photography test system

图1中，水被混合成蓝色，由阀门控制水的流量，由电子测压计测量压力。高速数码相机以每秒15 000帧的速度在低亮度的情况下拍照，图片通过计算机分析得到数据。试验测定了液膜破碎的长度、雾化粒子的尺寸大小和速度。

PIV法是在流场中布撒示踪粒子，并配以多次曝光照明系统，对喷雾场粒子进行拍照分析的一种光学分析法。PIV技术系统通常包括示踪粒子、成像系统(包括曝光系统和CCD数码相机)和图像与数据处理系统，其示意图如图2所示［8］。

图2 PIV技术系统Fig.2 The PIV technical system

PIV法使用的示踪粒子应具有无毒、无腐蚀、性质稳定的特点［9］，且流动跟随性好，故直径应较小，但同时也要保证粒子足够大，以满足散光性的要求［10］。典型的曝光系统是双YAG脉冲激光器组系统。早期照相机拍摄的信息直接记录在PIV底片，底片需进行湿处理以作进一步分析。目前，PIV法多采用CCD数码相机直接把拍照信息转换成数字信号输入计算机分析，但CCD数码相机的空间分辨力低于PIV底片。

PIV法能直观地反映雾化场情况［11］，可靠性高。但由于拍摄图片会产生不聚焦粒子，使这些粒子在图片中的大小比实际大，图片边缘的粒子也会给分析带来困难［12］，所以该方法需要用图像分析软件处理图片，且后期数据分析统计工作较多。

随着技术的进步，PIV法逐渐向三维化发展，主要有采用多台CCD摄像机从不同角度拍照的方法和全息粒子图像测速技术。

激光全息摄像法是运用全息照相技术，对喷雾场拍摄全息图片、记录喷雾场信息的方法，包括同轴全息术和离轴全息术，可分为记录和再现两步［13］。激光全息摄影法测量的对象范围广、适用性强，可测量粒子粒径和速度，精度高，分辨率可达 2 μm［14］，能消除系统误差。但激光全息摄像法也需要较多的图片分析工作，对光学设备的要求较高。运用激光全息摄影法测量两相流三维空间速度的试验系统如图3所示［15］。试验通过重建分析相隔时间Δt的两张全息图片获取速度信息，实现了两相流三维空间速度的测量。

图3 激光全息摄影试验系统图Fig.3 Laser holographic test system

非摄影法主要可分为基于激光多普勒效应(即反射或折射光干涉原理)和基于绕射散射光原理的方法［15］。基于激光多普勒效应的方法主要有激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimetry，LDV)法、相位多普勒测速仪(phase Doppler anemometry，PDA)法和光强叠加技术仪法。基于绕射散射光原理的方法有马尔文法、光强比例方法和激光诱导荧光技术(laser induced fluorescence，LIF)等。在此以PDA法、马尔文法和LIF技术为例介绍此类测量方法的特点。

PDA法是根据多普勒效应的典型测量方法，PDA系统通常由发射光路系统、吸收光路系统、信号处理系统、位移系统和计算机分析软件组成。系统通过分析运动粒子发出的光的频率和照射在运动粒子上的光的频率的频差得到粒子速度，通过分析多个探测器之间的相位差得到粒子的粒径。

运用PDA法分析气包液的水气雾化喷嘴的雾化特性，可测定不同工况下雾化粒子的尺寸和速度［16］。基于PDA技术的粒子分析试验仪器系统能测量直径为0.5 μm至几毫米的球形粒子的大小，其能测量的最大速度为 500 m/s［17］。

PDA法能同时测量粒子大小和速度分布，快速准确，数据统计工作较简单。但PDA法是对某一点进行测量的技术，只适合测量球形的雾化粒子，不适用于雾化粒子密度较大的喷雾场［18］。

可适性相位多普勒激光测速仪(adaptive phase/Doppler velocimeter，APV)法是基于激光多普勒效应进一步发展的方法，其测试能力更强，测量范围更广，且不受雾化场介质浓度和成分的影响［19］，但其受示踪粒子选择等实际测量条件的影响较大。

马尔文法是被广泛使用的检测方法，其工作原理是发射室向喷雾场发射激光后，通过收集被雾化粒子散射的激光信号进行分析，将接收的散射光能分布换算成粒子的尺寸分布，可测量1～1 800 μm的粒子尺寸分布和速度［6，15］。运用马尔文法对高压下水雾雾化特性进行分析，以测量雾化粒子的尺寸。马尔文粒度分析仪系统原理图如图4所示［20］。

图4 马尔文粒度分析仪系统原理图Fig.4 Principle of the Malvern particle size analyzer system

马尔文法测量快速准确，通用性和重复性好。但由于设备昂贵，受光敏元件制造重复性产生误差的制约，不宜在高温、雾化粒子密度大、喷雾场光路太长等条件下测量。

激光诱导荧光(LIF)技术是利用某些物质分子或原子受激光激发产生荧光的特性测量流动特性的方法。其原理是荧光染料在激光照射下，原子或分子发生跃迁产生荧光，用CCD相机捕捉荧光信号，经图像处理分析，测定喷雾场的流强和混合比参数［2］。

联合运用PIV法和LIF法分析旋流喷嘴喷射燃料的喷雾和周围环境的空气流动特性，可测定喷雾速度场等参数［21］。但目前技术还不够成熟，LIF技术的测量误差会随雾化粒子密度的增大而增大［2］。

2 几种检测方法对比分析

几种常见的雾化效果检测方法对比情况介绍如下。

①机械测量法、电子测量法和光学测量法三类雾化效果检测方法各有特点，如表1所示。

表1 雾化效果检测方法对比分析Tab.1 Comparison of atomization detection methods

② PIV法和PDA法是当前国内外应用较多的两 种光学测量法，两种方法的特点如表2所示。

表2 PIV法与PDA法对比分析Tab.2 Comparison of PIV and PDA

③试验可同时采用多种雾化效果检测方法，发挥各方法的优势，并互相补充，使检测更科学准确。如Barreras F等人运用PIV法和马尔文法分别测量粒子的速度和尺寸分布［22］;Kashdan J T等人把基于图片分析技术得到的数据与PDA法的测量数据相互对比验证［23］;Esmail M等人使用高速数码相机研究燃料喷嘴的雾化特性，并将测量数据和激光荧光诱导技术、PDA技术测量得到的数据进行对比分析［24］。

3 结束语

综合目前各种雾化效果检测方法可知，机械测量法是传统的雾化效果检测方法，其精度较低，适用于定性研究雾化效果;电子测量法应用电子领域的原理进行测量，精度比机械法高，适用于对电子性能较好的雾化粒子的测量;光学测量法实现了无干扰测量，是高精度的测量方法，可被广泛应用。各种雾化效果检测方法各有优缺点，没有可以绝对替代其他方法的检测方法。因此，实际测量中应根据试验的具体情况，选择合适的雾化效果检测方法，或采用多种检测方法相互补充验证，以获得更准确的试验数据。

［1］吴晋湘，刘卫东，周进，等.一种能同时测量喷嘴下游气液流强的两相探针的研制［J］.航空学报，1996，17(6):694-701.

［2］杨成虎，刘犇.喷雾场测试技术研究进展［J］.火箭推进，2010，36(4):16-23.

［3］ Jung K，Koh H，Yoon Y.Assessment of planar liquid-laser-induced fluorescence measurements for spray mass distributions of likedoublet injectors［J］.Measurement Science and Technology，2003，14(8):1387-1395.

［4］谭丹平，邵毅明.燃油喷射雾化研究方法的现状及发展［J］.汽车研究与开发，2002(4):21-24，39.

［5］曹建明.喷雾学研究国际进展［J］.长安大学学报:自然科学版，2005，25(1):82-86.

［6］韩国栋.雾化效果检测技术研究进展［J］.化学自动化及仪表，2010，37(6):1-4.

［7］ Negeed E R，Hidaka S，Kohno M，et al.Experimental and analytical investigation of liquid sheet breakup characteristics［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2011，32(1):95-106.

［8］ Dabiri D.Digital particle image thermometry/velocimetry:a review［J］.Experiments in Fluids，2009，46(2):191-241.

［9］孙柏刚，冯旺聪，李向荣，等.PIV在柴油啧雾测试中的应用［J］.车用发动机，2004(1):45-50.

［10］Newbery A P，Rayment T，Grant P S.A particle image velocimetry investigation of in-flight and deposition behaviour of steel droplets during electric arc sprayforming［J］.MaterialsScience and Engineering A，2004，383(1):137-145.

［11］Sanada T，Mitsuhashi Y，Mizutani H，et al.Flow structure of steam-water mixed spray［J］.Nuclear Engineering and Design，2010，240(12):3974-3983.

［12］Wigley G，Heath J，Pitcher G，et al.Experimental analysis of the response of a laser/phase Doppler anemometer system to a partially atomized spray［J］.Particle ＆ Particle Systems Characterization，2001，18(4):169-178.

［13］马中洲，张凤晶，王晓娟.激光全息摄影技术及其应用［J］.影像技术，2009(5):31-33.

［14］浦兴国，浦世亮，袁镇福，等.激光数码全息技术在两相流三维空间速度测量中的应用［J］.动力工程，2008，28(2):242-245.

［15］田春霞，仇性启，崔运静.喷嘴雾化技术进展［J］.工业加热，2005，34(4):40-43.

［16］Huang X，Wang X S，Liao G X.Characterization of an effervescent atomization water mist nozzle and its fire suppression tests［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2011，33:2573-2579.

［17］Jolodar A J，Akbarnejad M M，Taghizadeh M，et al.Laser-based flow measurement in performance assessment of FCC atomizer［J］.Chemical Engineering Journal，2005，108(1-2):109-115.

［18］Blaisot J B，Yon J.Droplet size and morphology characterization for dense sprays by image processing:application to the Diesel spray［J］.Experiments in Fluids，2005，39(6):977-994.

［19］王宗明，崔运静，段希利，等.APV系统实践测量技术研究［J］.应用激光，2004，24(2):93-94，122.

［20］Santangelo P E.Characterization of high-pressure water-mist sprays:experimental analysis of droplet size and dispersion［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8):1353-1366.

［21］Li T，Nishida K，Hiroyasu H.Droplet size distribution and evaporation characteristics of fuel spray by a swirl type atomizer［J］.Fuel，2011，90(7):2367-2376.

［22］Barreras F，Amaveda H，Lozano A.Transient high-frequency ultrasonic water atomization［J］.Experiments in Fluids，2002，33(3):405-413.

［23］Kashdan J T，Shrimpton J S，Whybrew A.Two-phase flow characterization by automated digital image analysis.part 2:application of PDIA for sizing sprays［J］.Particle ＆ Particle Systems Characterization，2004，21(1):15-23.

［24］Esmail M，Kawahara N，Tomita E，et al.Direct microscopic image and measurement of the atomization process of a port fuel injector［J］.Measurement Science and Technology，2010，21(7):1-11.

Analysis on Several Detection Techniques for Atomization Effects

Due to the wide use of atomization technology in all walks of life，the accurate detection and evaluation on the effects of atomization are necessary.The latest development of the atomization detection techniques commonly used at home and abroad is researched，and the features and applications of three categories of detection techniques，i.e.，mechanical measurement methods，electronic measurement methods and optical measurement methods are analyzed，and their advantages and limitations are concluded.Finally，the adaptability of each atomization detection method under different operation conditions is proposed.

Atomization technology Atomization effect Mechnical measurement Electronic measurementOptical measurementAdaptability

TK421

A

广东省大学生创新实验基金资助项目(编号:S1010561100)。

修改稿收到日期:2011-09-02。

刘定平(1965-)，男，1990年毕业于武汉理工大学热能动力装置专业，获硕士学位，副教授;主要从事脱硫脱销方面的研究。