柴油喷雾近场初次破碎微观特性可视化试验研究

王铮昊，王 谦，何志霞，吴玉强

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

高压喷射的燃油经过一系列破碎雾化过程变为微小尺度液滴，增加了燃油与空气的作用面积，从而促进燃油的快速蒸发并在短时间内形成可燃混合气。液滴的破碎、雾化、喷雾锥角、粒径大小、粒径分布、喷雾贯穿距等喷雾特性影响着燃烧室内混合气形成，进而影响柴油机的性能。因此，深入理解雾化机理对研究柴油机设计、燃烧和排放控制十分重要。

迄今国内外学者提出了大量的射流雾化模型。首先，燃油喷雾场可分为稠密区和稀薄区［1］。稠密区是指近喷孔区（一般距喷孔4mm范围内）的喷雾场，该区域内的液滴间距很小，液滴间相互作用不能被忽略。由于稠密区内未扰液核被外围液滴所包围，目前基于光学原理的试验无法获得其详细结构，但是未扰液核结构直接关系到射流初始表面波结构及其增长特性。射流离开喷孔后就存在黏着力和破碎力的竞争，由黏着力和分裂力竞争产生的扰动会发生增长并最终导致液体射流发生分裂雾化，这一过程被称为初次雾化。初次雾化形成的液滴会进一步破碎成更小的液滴，这一过程称为二次雾化。研究指出，近喷孔区初次雾化特性将决定喷雾下游雾化程度［2］。文献［3］指出，油束初次破碎受到喷孔内流特性的影响，诸如湍流强度、空穴和速度场。文献［4］在此基础上提出湍流扰动、空气动力和喷孔内部的空化现象是造成高压柴油喷射初次破碎的3个基本因素。

文献［5］利用长焦显微技术对油束不同区域外围液滴大小及分布进行了拍摄。结果表明，近喷孔区域燃油主要以稠密带状液丝形态存在。试验获得了喷束表面波结构，但无法获得被稠密液滴包围的未扰液核的结构。文献［6］利用高亮度X射线技术对单孔喷油器近喷孔区域进行了试验，发现随压力升高近喷孔区油束有从层流到湍流的发展过程，并且随着喷射压力增大，层流区域逐渐减小直至无法识别。但是此试验并没有阐明喷油压力对喷雾场粒子浓度的影响。

近几年激光诊断技术已成为内燃机领域研究喷雾、燃烧过程组分浓度及火焰结构的重要工具［7］。由于传统光源配合高速数码相机无法获得近喷孔区清晰的微观喷雾场图像，因此为了解雾化机理，探究喷雾表面波的产生机理及增长特性，本研究将现代激光诊断技术应用到喷雾场微观试验中来，用Matlab图像处理工具对微观喷雾场图片进行数字图像处理［8］，获得了清晰的近喷孔区表面波轮廓曲线，研究了喷雾表面波及近喷孔区织状油滴［6］的形成和发展及其对初次雾化的影响，结合背光法拍摄，研究了共轨喷射压力对燃油喷雾粒子浓度及近喷孔射流边界层的影响规律。

1 试验设备与试验方法

本试验将现代激光诊断技术应用到微观喷雾场可视化试验中，利用PIV激光脉冲光源配合显微镜头和高速CCD相机来研究近喷孔区域柴油雾化特性和表面波发展规律。试验设备主要由高压共轨柴油喷射系统、光学系统以及图像采集系统组成。本次试验通过开展对无蒸发柴油近喷孔区域自由喷雾特性的观测来探究初次雾化机理。采用YAG激光直接照射法和背光法两种高射摄影拍摄方案，相互补充来研究燃油初次破碎过程。

PIV技术作为瞬态速度场测试技术已被广泛应用。本试验将油滴视作示踪粒子，结合PIV激光脉冲光源，利用示踪粒子对光的散射作用，从而获得瞬时近喷孔区微观喷雾场。由文献［7］可知，高速相机捕捉到的图像明暗强度可以反映粒子分布的密度和均匀性。

本试验的燃油供给采用先进的高压共轨系统，其中，高压油泵可提供0～180MPa的喷射压力，电控喷射系统能够实现对喷油压力的精确控制，降低了压力波动对燃油雾化过程的影响。通过控制油泵电机转速以及显示器直观显示来实现对燃油喷射频率、喷射压力的控制。试验选用单孔VCO喷油器作为喷雾研究的对象，喷孔直径0.2mm。

激光直接照射法的光学系统见图1，主要包括双YAG激光器、长焦显微镜头、高速CCD相机以及同步器。首先调整双YAG激光器为单帧，频率3Hz，波长532nm，单脉冲能量120mJ，脉冲持续期5ns，可以实现对喷雾场的“冻结”，片光厚度3mm，用导光臂输出片光直接照射喷雾场。采用奥林巴斯i－speed3高速相机拍摄，2 000帧／s时可以得到1 280×1 024像素的高质量图片，最高帧速率为150 000帧／s，快门响应时间最快为1μs。背光法则是将YAG激光器换为高能白光光源。采用的显微镜头可将近喷孔区域放大7～12倍，放大后在背光条件下的喷嘴头部见图2。

图像采集系统主要由同步器和图像处理单元组成。同步器可以实现将激光器脉冲信号和喷油器针阀信号同步，并通过曝光延迟控制，可以得到200～2 000μs不同时刻的近喷孔区域的喷雾场形态。

试验是在25℃及0.1MPa条件下进行，研究无蒸发燃油雾化特性，得到了不同喷油时刻和喷油压力下的近喷孔区微观表面波形态及其发展过程。通过背光法比较不同喷油压力下的喷雾过程，分析了不同压力对连续未扰液核区及近喷孔区液柱边界层的影响，进而探究表面波形成及初次雾化机理。

2 试验结果分析和讨论

2.1 单束喷雾近喷孔微观喷雾特性

为了从时间和空间尺度上分析不同喷油压力、同一油束不同位置以及不同喷油时刻的近喷孔射流表面波形成发展过程，并探究液滴破碎机理和液滴浓度分布变化的影响因素，首先对单束喷雾近喷孔区域进行了分析。

图3示出由激光法拍摄的喷油压力50MPa下，启喷200μs时的瞬时喷雾场图像。图示为近喷孔1.5mm区域内的微观喷雾场，可以看出燃油由喷孔喷出后，并未直接雾化成细小的颗粒，而是主要以稠密液丝形态存在。从图中标注区域的喷雾形态可以看出，气液界面处发生了大尺度的卷吸作用，最初液丝较小，后逐渐发展成长短不规律的液丝并与射流表面分离，文献［6］将之称为织状物。这是由于高速射流喷出喷孔后与周围气体发生强烈扰动，后喷出来的燃油相对于之前喷出的燃油具有更高的速度，所以会撞击之前喷出的燃油而汇聚成较大的燃油团，由于边界燃油微团的速度可以分解为轴向和径向，又加之受到周围空气的剪切作用，故微团会被推至油束外围并被拉长，受到空气的卷吸作用就会形成这种织状结构。当微团被拉成液丝，油束与周围空气的作用面积大大增加，当液丝增长到一定长度后会断裂成许多细小微团，从而促进雾化。

由图3还可以看出，当压力为50MPa时，油束出喷孔后，边缘虽然已经部分雾化成油滴，但可以明显看出中心较暗区域为未扰液核，这是因为粒子对光的衍射率较高，而中心区域还未雾化故较暗。虽然燃油喷出喷孔后就发生了部分雾化，但是并没有形成表面波，从箭头指向大约一倍于喷孔直径的地方开始，喷束表面有微小波动产生。而在距离喷孔出口大约3倍喷孔直径的地方开始，基本就观察不到明显的液丝，说明此时液丝已经基本耗散。由于视场范围和YAG激光器响应延迟的局限性，此时喷油油束头部迎风面已经超出视场范围，故无法观察到迎风面表面波。图4示出喷油压力50MPa时，喷油1 000μs后同一区域的微观喷雾场。可以看出，当喷雾发展到中期时，织状液丝已经基本观察不到。由于喷雾发展到中期，被已雾化液滴包裹的未扰液核也很难分辨清楚。

2.2 不同喷射压力下微观喷雾场对比分析

图5示出喷油200μs后，不同喷射压力下的微观喷雾场对比。可以明显观察到喷油压力为5MPa时喷雾雾化程度很差，半透明的液柱区持续距离较长，并且从距离喷孔出口5倍喷孔直径处才有液滴脱离射流体表面。压力升高至15MPa后，虽然发生了油滴的破碎和雾化，但可以发现液滴分布非常不均匀，雾化效果不理想。对比喷油压力15MPa和80MPa的油束可以发现，80MPa时未扰液核区很难辨认，说明压力增大导致湍流强度增大进而减小未扰液核长度，出喷孔后油束立即发生了较为良好的雾化。对比50MPa和80MPa的油束还可以发现，80MPa时光强分布更均匀，而光强分布与液滴分布是成正比的，因此可以说明液滴分布更加细腻和均匀，可以证明80MPa的雾化程度较好，同时也证明了喷油压力是决定雾化程度的重要因素之一。

图6示出喷油压力10MPa时的微观喷雾发展图像。由图可以看出，喷雾发展初期可以观察到清晰的半透明液核，并且近喷孔射流初始液柱边界层也较为清晰，没有明显的扰动。随着喷雾的进行，喷孔内空穴逐渐形成和发展，对近喷孔喷雾特性产生影响，由清晰液核变为模糊液柱并且初始扰动的发生也提前了。这与文献［9］用X射线拍摄的液核变化趋势相符。

图7示出不同喷射压力下，启喷200μs时微观初始喷雾形态的对比。如之前所述，当喷油压力较低时，喷雾可分为半透明液核阶段、模糊喷柱阶段和完全雾化阶段。从清晰的边界层到完全雾化需要一定时间的转变期。而观察80MPa的初始喷雾场可以发现，当燃油从喷孔喷出后就立即雾化，没有初始转化期。对比50MPa的和10MPa的微观喷雾形态发现，虽然50MPa时无法辨认液核区，但油束出喷孔后仍有一段边界非常整齐光滑的区域，而且这一区域要比10MPa时小。由此可知随着压力升高，光滑区逐渐减小至消失。

3 近场喷雾液核表面波发展分析

由于近喷孔区油束主体与边缘已雾化油滴很难区分，故需对采集的喷雾图片进行处理才能辨别喷雾近场表面波。为此，应用文献［8］和文献［10］提出的图像处理方法对喷雾照片应用Matlab进行处理。针对喷油压力为80MPa的油束处理流程见图8，并由相同方法得到40MPa和60MPa油束主体的边缘图像。从图像处理结果可以看出，处理后的图片排除了边缘已雾化油滴的干扰，对比鲜明，射流主体表面波轮廓清晰，利用提取的边缘轮廓可以计算出喷雾液柱表面波波长和振幅。

图9示出计算表面波长和振幅的原理。其中，λi为第i个波长，P为网格数。由于喷孔直径为定值，故波长所占网格数比上喷孔直径所占网格数，再乘以喷孔直径，就可以得到波长长度。图10示出喷油压力80MPa、启喷500μs时的射流表面波波长的计算结果。可以看出，射流表面波在离喷孔出口一段距离处才能分辨，波长随距离的变化趋势呈现先增大再减小的循环变动。当波长小于0.05mm时，波长呈波动性增长，而当波长增长到大于0.05mm时，此时波长呈线性迅速增长，随后又快速减小。这是由于当波长较小时，喷束表面受到黏性力和周围空气作用力等多种力的作用，波长增长趋势不确定。而当波长大于0.05mm后，油束与周围空气的相互作用成为主导因素，由于受到空气的剪切和卷吸力作用，波长迅速增大，因此又进一步增大了表面波与空气的接触面积，在波长增大到一定程度后，液滴脱离油束表面雾化，而大波长的表面波也因此迅速衰减。

图11示出喷油压力80MPa，启喷500μs时的射流表面波振幅变化的计算结果。振幅增长方式并不像波长那样有循环往复的特性，而是有不规则增大的趋势。在距喷孔较近的区域（2～3倍喷孔直径）内，表面波振幅增长较为缓慢，当振幅增大到一定程度后（约0.02mm），将发生快速并伴随较强波动的增长。图12示出喷油压力为80MPa时油束射流体表面波波长和振幅合成的散点图。由图可知，表面波振幅和波长基本不存在简单的函数关系，这与文献［11］的模拟结果相似。

图13示出在不同喷油压力下，射流体表面波振幅和波长变化的对比。可以看出，尽管喷油压力不同，但表面波波长和振幅的增长变化规律相似。波长在13～100μm范围内变动，振幅在4～52μm范围内变动。还可以看出，喷油压力对初始表面波的生成有重要影响，压力升高，初生表面波更靠近喷孔出口。此外，波长和振幅都有从增大到减小的过程，这是由于油束受到轴向和径向速度的作用，初始射流体表面波在向前传播的同时也会向喷束外缘发展，因此不但波长会增大，表面波振幅也会增强。随着表面波的增长与耗散，喷束边缘逐渐破碎成更加细小的液滴。

4 结论

a）喷油压力为50MPa时油束出喷孔后即发生部分破碎雾化，此压力下表面波并非在刚出喷孔处就形成，而是在距离喷孔约1倍喷孔直径处首先出现微小波动，随后波长和振幅都有所增加，增大到一定程度后破碎为小液滴；同时，喷孔附近会形成带状液滴微团，带状微团随后断裂成细小液滴；

b）喷射压力对喷雾表面波形成发展和初次雾化有较大影响：当压力不高于40MPa时，可以清楚观察到出口喷柱有从半透明的液核向模糊喷柱转变这一过程，说明喷雾初始时间段液核区为层流状态，尤其在喷油压力低至10MPa时，刚出喷孔区域的层流边界层可以清晰辨别出来；而随着压力升高，层流区域逐渐减小，当压力大于80MPa时已经无法辨别层流区域了；

c）随着喷油压力的增加，近喷孔区域油滴分布更加均匀，雾化效果更好；

d）近喷孔区射流体表面波波长和振幅随喷孔出口距离的改变而变化，波长在13～100μm范围内变动，波长的变动与距离没有明显的函数关系，但总是先增大后减小并往复循环；表面波振幅在4～52μm范围内变动并且有增大的趋势，但是增长并不是线性的；

e）由表面波振幅和波长合成的散点图可以发现，表面波振幅和波长之间不存在简单的线性或是单调函数关系；对比不同喷油压力的表面波波长可以得出：压力增大对表面波生成具有促进作用，压力越大初生表面波越靠近喷孔出口。

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