基于PIV技术的喷雾场试验研究

申力鑫，王成军，张中飞，于 雷，刘爱虢

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136)

基于PIV技术的喷雾场试验研究

申力鑫，王成军，张中飞，于 雷，刘爱虢

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136)

以WP7燃油喷嘴为研究对象，利用非接触式激光测试技术粒子成像测速仪PIV(Particle Image Velocimetry)测量了双油路雾化喷嘴所形成的喷雾场，得到了不同油路不同压力下的喷雾场图像与速度矢量图。试验图像表明：雾化过程是一个从液膜到液滴，再二次雾化或者重新聚合的复杂过程；在一定压力范围内，喷雾锥角与供油压力的大小无关；不同的油路情况下，喷雾锥角也不相同，且与喷嘴的结构特点有关。

PIV;双油路;压力雾化喷嘴;喷雾锥角;速度分布;液膜

在航空发动机燃烧室中，燃油是在经过喷嘴雾化之后，以液雾的形式进入的，喷嘴是航空发动机燃烧室的重要组成部件,喷嘴性能的好坏将对燃烧室的燃烧过程有着重要的影响,将直接影响发动机的点火速度、启动速度和稳定性、温度分布以及排气污染等各个方面的性能[1-4]，因此，液雾的特性也决定了燃烧的质量。为了提高燃烧效率，降低污染排放，拓宽稳定燃烧范围，新燃烧概念和新雾化技术不断地提出和发展，对于喷嘴雾化性能的要求也越来越高。而喷嘴雾化性能的好坏是根据燃烧室的工作要求来提出指标的，主要包括液滴尺寸分布、雾化细度、雾化均匀度和喷雾锥角等。

喷雾研究一直是国内外航空发动机研究领域中重要的一个方面，早期对喷嘴喷雾场的测量主要有阴影法、纹影法以及沉降法、冻结法和接触法[5-6]，随着对雾化机理了解的进一步加深，这些方法已经无法满足研究的需要。到20世纪70年代，光学测量技术开始逐渐应用在喷雾场测量上，发展到现在，激光测试技术在喷雾场测量上的应用已经很成熟，包括PIV(Particle Image Velocimetry)[7]、LDV(Laser Doppler Velocimetry)、PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)[8]、PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)等[9]。这些技术测量的侧重领域都各不相同，其中，PIV在速度场的测量方面得到了广泛的应用,美国学者M.A.Beeck、G.M.Bianch以及M.TsueS.Takagishi等利用PIV技术对喷雾结构和液滴运动进行了比较多的研究[10-13]。20世纪90年代以来，运用计算机进行数值模拟成为另外一种研究喷嘴喷雾特性的有效方法，该方法耗时短，耗费小，并且能够简单快捷的研究各种参数对喷嘴雾化特性的影响。利用这两种方法，相关研究者不仅对喷嘴的雾化性能参数进行了研究，同时对喷嘴的结构形式，喷射介质物性和工作环境参数对喷雾的影响方面也进行了研究[14-16]。

本文运用PIV测试技术，选取涡喷7发动机燃油喷嘴作为研究对象，此喷嘴为双油路压力雾化喷嘴，通过实验测试此喷嘴在不同主副油路压力下喷雾场的速度分布和喷雾锥角等参数，并分析其雾化特性，讨论不同的主副油路压力对喷雾场的影响，以进一步了解喷雾性能对燃烧室燃烧性能影响的原因，为喷嘴的改进设计提供实验依据。

1 试验测量系统

试验系统由燃油喷嘴试验台、试验器计量系统、燃油供给系统、回油系统、引风系统、控制系统、数据采集系统和PIV测试系统组成(图1)。试验系统通过供油控制台来调节主副油路的开关与供油量的大小，同时可以通过压力传感器实时监测压力的变化。

试验喷嘴为双油路压力雾化喷嘴，如图2 所示。喷嘴壳体内有主、副两条油路，相互独立，并有各自的旋流器和喷口。试验在常温常压下进行，喷射介质为RP-2航空煤油，其动力粘性系数μ=0.001 159 N·m-1·s-1，表面张力系数σ=0.025 3 N·m-1，密度ρ=778 kg·m-3。

图1 燃油喷嘴综合试验台示意图

图2 喷嘴实物图

PIV测试系统的硬件基本组成部件有:YAG激光器、导光臂、同步控制器、激光器镜头、其他各种固定装置、CCD相机等。图3所示的是PIV测试系统示意图，激光片光由双脉冲Nd：YAG激光器作为光源，单个脉冲最高能量为200 mJ，脉冲激光波长为532 nm。CCD相机是一个数码相机，其分辨率为2048×2048，帧速为32帧。同步控制器的时间分辨率是1 ns，负责精确的接收外部信号以协调各部件的工作时序，控制CCD相机的拍摄频率与激光频率保持一致。激光器镜头由焦距为-15 mm的柱面镜和焦距为500 mm的球面镜组成，激光经过两个透镜，最终射出的是一条细长的竖线，竖线打在喷雾场上形成片光源，相机镜头与片光源位置垂直。

图3 PIV测试系统示意图

2 喷雾试验

2.1 单开主油路

调节供油控制台，只开启主油路，改变主油路压力，分别在6个不同压力下，用PIV对喷雾场进行测量。图4是在0.3 MPa压力下的喷雾场PIV原始图像和速度矢量图。

图4 0.3 MPa压力下主油路的PIV图像及处理图

从图4a发现，燃油刚从喷嘴出来的时候，形成一层清晰的液膜，由于压力较小，此时的液膜切向速度也较小，其速度分量中轴向速度较大，径向速度较小，之后液膜发生破碎，产生大小形状各不相同的、离散的液体大尺度微团结构，包括团、块和滴等。由于还没有形成喷雾，PIV系统是捕捉不到喷雾粒子的，所以在图4b图中，对应位置没有速度矢量。之后，液膜在表面张力、粘性力和气动力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式下逐渐破碎成不同尺寸的液滴，这便是燃油的初始雾化过程。初始雾化形成的液滴在外界气流中运动时，受到气动力和表面张力的作用。表面张力的作用是使液滴抱团收缩成球形，而气动力是作用在液滴表面的力，压迫液滴，促使液滴变形。气动力和表面张力之比称为韦伯(We)数，当气液两相确定时，韦伯数的大小仅与气液两相的相对速度和液滴的直径有关，液滴破碎的临界韦伯数约为12，在试验中，较大的体积和速度会促使液滴二次破碎的发生。燃油在初始雾化和二次雾化的共同作用下形成了可以被PIV系统捕捉到的喷雾液滴。

观察图4b发现,液滴较多地分布在喷雾锥体的外侧和中心区域，从而形成双空心的喷雾锥体。这种结构是由喷嘴的结构特点和此时较小的压力形成的，当增大主油路压力时，中心区域的液滴会逐渐减少，当压力达到一定程度时，整个喷雾场会形成空心锥体的结构。

流体力学中把喷嘴的出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为喷雾锥角。使用电脑角度测量软件对PIV原始图像中的喷雾锥角进行测量，得到6个不同压力下的喷雾锥角，如表1所示。

表1 主油路不同压力下的喷雾锥角

2.2 单开副油路

调节供油控制台，只开副油路，在与单开主油路试验相同的工况下用PIV对喷雾场进行测量。得到6个不同压力下喷雾场的PIV原始图像和速度矢量图，见图5所示。

图5 副油路PIV图像及处理图

续图5副油路PIV图像及处理图

使用电脑角度测量软件对PIV原始图像中的喷雾锥角进行测量，得到单开副油路工况下的6个不同压力下的喷雾锥角，如表2所示。

表2 副油路不同压力下的喷雾锥角

在0.3 MPa压力时，喷雾场的喷雾锥角很小，只有51.42°，燃油经过喷嘴喷射出来时，受到重力的影响较大，所以此时的速度矢量图中显示较多的液滴分布在喷嘴的正下方区域，且这部分液滴的速度方向也是向下的。增大压力到0.6 MPa时，喷雾锥角变大，此时的液滴开始更多地受到切向力的影响，在速度矢量图中表现出来的的就是液滴逐渐向外侧区域分布。继续加大压力到0.9 MPa时，喷雾锥角继续增大，液滴速度开始沿喷雾锥体母线的切向分布，并且整个喷雾场形成空心的结构。当压力增大到1.2 MPa时，喷雾锥角已经达到最大值，这个最大值在82°到83°之间，继续加大压力，不会影响喷雾锥角的变化，此时变大的是燃油的流量和雾化液滴的数目，在一定压力范围内，压力越大，流量越大，喷雾场中液滴的数目也会相应增多。

整个实验工况清晰的描述了喷雾场中空心椎体形成的过程与原因：喷雾椎体在较大压力时，其椎体外围的速度要明显大于椎体中心的速度；椎体外围的液滴雾化良好，并且液滴数量要大于椎体中心处，从而形成空心椎体的喷雾结构。这是因为在较大压力时，切向速度增加，喷嘴内部形成空气心，燃油在喷嘴出口以液膜的形式射出，在射出以后，形成的液滴径向速度较大，大部分都分布于椎体的外围，从而导致空心椎体的产生。

2.3 主副油路同开

调节供油控制台，开启主油路，并保持主油路0.3 MPa压力不变，改变副油路压力，在6个不同的副油路压力下用PIV对喷雾场进行测量。图6是主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa压力下的PIV图像及处理图。

图6 主油路0.3 MPa，副油路1.2 MPa压力下的PIV图像及处理图

从PIV原始图像上看，图6与图4大体上相似，在喷雾锥体外侧都有一层清晰的油膜，喷雾液滴也主要分布在靠近锥体母线的外侧；从处理图像看，则有较明显的区别，图6中喷雾场中心的液滴速度明显要大于图4中相同位置的液滴速度，并且其液滴速度方向逐渐向平行喷雾锥体母线的方向靠近，这是由于副油路压力的影响，继续加大压力，喷雾场会逐渐形成空心锥体的结构。

使用电脑角度测量软件对喷雾锥角进行测量，得到主油路0.3MPa，副油路在6个不同压力下的喷雾锥角，如表3所示。

表3 主副油路同开不同压力下的喷雾锥角

3 试验结果分析

综合上述3个试验工况，当喷嘴压力很小时，由于主要受到重力的影响，喷雾液滴大多分布在喷嘴的正下方，并且喷雾锥角也较小。随着压力的逐渐增大，喷雾锥角变大，一部分喷雾液滴分布在喷雾锥体母线区域，另一部分喷雾液滴分布在喷嘴下方，这部分液滴的速度随着压力的变大而逐渐增大，其速度方向也逐渐向着喷雾锥体母线方向靠拢。当压力增大到一定程度以后，喷雾场形成空心锥体的喷雾结构，液滴绝大部分分布在椎体外侧。之后继续增大压力，喷雾锥角不再继续变大，喷雾液滴的速度也不再变化，变化的只有喷雾场的流量和喷雾液滴的密度。

图7为喷嘴在主副油路单独工作及主副油路同时工作时，喷雾锥角随压力的变化曲线。

图7 喷雾锥角变化曲线

从图7中可以看出，在供油压力达到一定的范围之后，继续增大压力不会改变喷雾锥角的大小，故可认为，对于压力雾化喷嘴来说，在喷雾场稳定以后，喷雾锥角与供油压力的变化无关，只与喷嘴的几何特征尺寸有关。

单开主油路时喷雾锥角明显大于单开副油路时，大了约11°～12°，这是由喷嘴的结构特点决定的，副油路喷口位于喷嘴中心，而主油路喷嘴在喷嘴的外圈，这也解释了主油路在较小压力时喷雾锥角就达到较大的稳定值，而副油路的喷雾锥角在较小压力时很小，随着压力的逐渐变大而逐渐增大，到一定压力范围之后才会不随压力的变化而改变。

4 结论

本文通过运用PIV测试技术对双油路压力雾化喷嘴在不同的压力情况下的喷雾场进行测量，得到的结论如下：

(1)燃油最先在喷嘴中形成的是液膜，在离开喷嘴之后，液膜在表面张力、惯性力和气动力的作用下，以穿孔膜破碎、波浪破碎等破碎模式逐渐破碎成不同尺寸的液滴，这些液滴在外界空气的作用下会经过二次雾化形成更小的液滴或者与其他液滴相互聚合形成较大的液滴；

(2)在一定压力范围内，喷雾锥角的大小不随供油压力的变化而变化，只与喷嘴的结构特点有关；

(3)在同样的压力下，单开主油路时的喷雾锥角略大于主副油路同开时的喷雾锥角约3°～4°，大于单开副油路时的喷雾锥角约11°～12°。这种情况是由喷嘴的结构特点所决定的，双油路压力雾化喷嘴的主油路喷口在外圈，副油路喷口位于喷嘴中心。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)

ExperimentalstudyonsprayfieldbasedonPIVtechnology

SHEN Li-xin,WANG Cheng-jun,ZHANG Zhong-fei,YU Lei,LIU Ai-guo

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

For a WP7 fuel nozzle,the spray field caused by a duplex-oil circuit pressure atomizing nozzle was measured using the Particle Image Velocimetry(PIV),a non-contact laser measurement technique.Pictures of spray field and velocity vector were obtained under different oil circuit and oil pressure.The test images show that the atomization is a complex process from liquid film to liquid droplets,and then second aryatomization or re-polymerization.The spray cone angle is not related toa certain pressure.The spray cone angle is different using different oil circuit,largely dependent on the geometry of nozzle.

PIV;duplex-oilcircuit;pressure atomizing nozzle;spray cone angle;velocity distribution;liquid film

2017-05-26

国家自然科学基金(项目编号：51476106)；辽宁省自然科学基金(项目编号：2015020639)

申力鑫(1989-)，男，河南安阳人，硕士研究生，主要研究方向:航空发动机燃烧技术，E-mail：365262082@qq.com；王成军(1967-)，男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要研究方向：航空发动机燃烧技术，E-mail：wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)04-0027-07

V231.2

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.003