幾種噴霧效果檢測技術(shù)的對比分析

劉定平 陳沛東

(華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510641)

幾種噴霧效果檢測技術(shù)的對比分析

劉定平 陳沛東

(華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510641)

由于霧化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，因此，對霧化效果的準確檢測和評價顯得十分必要。研究了國內(nèi)外常用霧化效果檢測技術(shù)的最新進展情況，分析了機械、電子和光學測量法三類霧化效果檢測技術(shù)的特點及應(yīng)用情況，總結(jié)了各類方法的優(yōu)越性和局限性。最后，提出了不同工況下各類霧化效果檢測方法的適用性。

噴霧技術(shù) 霧化效果 機械測量 電子測量 光學測量 適用性

0 引言

霧化技術(shù)是一種將液體或液-固懸浮體分散成細小滴粒的實用技術(shù)，它可以提供巨大的相間接觸面積。目前，霧化技術(shù)按霧化方式主要可分為機械霧化、介質(zhì)霧化和超聲波霧化等。其中，超聲波霧化是20世紀80年代末90年代初以來新發(fā)展的噴霧技術(shù)，其霧化顆粒細小、效果優(yōu)良。霧化技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，對電力、化工、冶金等眾多行業(yè)都具有重要意義。

霧化效果的檢測是測試和評價霧化器噴霧效果不可或缺的環(huán)節(jié)?？茖W準確地檢測評價霧化效果對提高噴霧效率、降低能源消耗以及優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有較大的推動作用。對不同霧化效果檢測技術(shù)的適用性研究可為霧化效果檢測方法的選用與完善提供參考。

1 霧化效果檢測方法分析

研究發(fā)現(xiàn)，霧化效果的檢測方法大致可以分為三類，分別是機械測量法、電子測量法和光學測量法。這些方法各自具有不同的特點。

1.1 機械測量法

機械測量法是早期的傳統(tǒng)霧化效果檢測方法，其主要思想是收集保存噴霧液滴，然后進行測量和分析。機械測量法主要包括收集法、液體固化法、液浸法、沉降法和壓痕法等。

收集法由集液箱收集霧化液滴，可測量液滴的體積、質(zhì)量以及噴霧的混合比、流強等參數(shù)，是現(xiàn)在仍然使用較多的機械測量法。吳晉湘等人設(shè)計了一種兩相探針，探針內(nèi)有夾層壁與楔形口相連，楔形口使液霧不能進入夾層，液霧流入密閉的收集箱被收集［1］。該裝置可應(yīng)用于常壓和反壓下的測量。收集法測量準確，但裝置布置較為復(fù)雜，現(xiàn)常用于檢查與標定光學測量法［2］。Jung K等人使用收集法檢查平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測量的準確性［3］。

液滴固化法通過固化液滴保存噴霧結(jié)果，然后進行測量，主要包括冷凍法和熔蠟法。冷凍法是通過冷凍環(huán)境使噴霧冷凍沉積，拍攝粒子沉積情況以進行分析測量。熔蠟法是在噴射系統(tǒng)中使熔蠟處于與燃油性質(zhì)相似的狀態(tài)，再將熔蠟噴射到常溫環(huán)境使其固化，從而進行測量。

液浸法是把噴射液噴到與之不相溶的接受液中，保存液滴的形狀，拍攝霧化液滴懸浮或沉積的情況，以測量評價。該方法要求接受液與液滴不相溶、黏度大、性質(zhì)穩(wěn)定，以便于攝影，且密度比被測液滴小。由于輕質(zhì)柴油等石油產(chǎn)品難以找到合適的接受液，故該方法不適用于此類產(chǎn)品，且采用該方法也要考慮在接受液中液滴速度較快、出現(xiàn)互相溶合等現(xiàn)象給測量帶來的影響［4］。

沉降法根據(jù)不同質(zhì)量的物體在自由下落時所受空氣阻力不同的原理，利用沉降塔測定霧化液滴的尺寸大小分布。在沉降塔上下分別置有噴射裝置和記錄天平。霧化粒子由大到小落下，根據(jù)天平的載重測定粒子大小分布。該方法要求沉降塔足夠高，因此在實驗室較難實現(xiàn)，且霧化粒子的蒸發(fā)會造成誤差。

壓痕法是在一塊玻璃上涂氧化鎂，并在底部加熱使涂料層軟化，通過粒子撞擊玻璃留下的痕跡來反映粒子的直徑。采用該方法需重復(fù)進行試驗，如果液滴速度過快，會在碰撞時發(fā)生破裂;玻璃上也可能有多個粒子撞擊留下的痕跡，使測量不夠精確。該方法不受噴霧液滴蒸發(fā)的影響，可長時間保存噴霧痕跡，適用于高溫和燃燒環(huán)境。

1.2 電子測量法

電子測量法是通過分析霧化液滴產(chǎn)生的電脈沖得到液滴粒徑分布圖譜的統(tǒng)計方法，主要有電極法、導(dǎo)線法和熱線法。

電極法是將存在電位差的電極放在噴霧場，通過測量霧化液滴表面電阻產(chǎn)生的電脈沖數(shù)目確定液滴數(shù)目，并調(diào)整電位的間隙測量直徑。該方法會由于運動液滴表面電阻隨運動速度變化，對系統(tǒng)敏感度的高低造成誤判。

導(dǎo)線法將導(dǎo)線放在霧化場，測試由霧化液滴撞擊導(dǎo)線引起的電子量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖，以測量霧化液滴的粒徑和數(shù)目。該方法要求霧化液滴具有良好的導(dǎo)電性。

熱線法將通電熱探頭放在霧化場，通過液滴撞擊探頭蒸發(fā)帶走的熱量確定粒子的直徑，并根據(jù)產(chǎn)生的電脈沖確定數(shù)目。熱線法是目前應(yīng)用較多的電子測量法，它能測量的最小直徑為5 μm［5］。該方法要求液滴速度不能超過10 m/s［5-6］，故不適用于高速噴射霧化的測量。

1.3 光學測量法

光學法能對噴霧場實現(xiàn)無干擾檢測，現(xiàn)已發(fā)展為應(yīng)用廣泛的先進霧化評價方法。光學法主要分為攝影法和非攝影法。攝影法主要包括直接攝影法、粒子圖像速度場儀(particle image velocimetry，PIV)法和激光全息攝影法等。

直接攝影法采用相機直接對噴霧場進行拍照，通過圖像分析軟件處理圖片，并進行分析測量。采用直接攝影法研究液膜破碎的特性試驗系統(tǒng)如圖1所示［7］。

圖1 直接攝影試驗系統(tǒng)圖Fig.1 Direct photography test system

圖1中，水被混合成藍色，由閥門控制水的流量，由電子測壓計測量壓力。高速數(shù)碼相機以每秒15 000幀的速度在低亮度的情況下拍照，圖片通過計算機分析得到數(shù)據(jù)。試驗測定了液膜破碎的長度、霧化粒子的尺寸大小和速度。

PIV法是在流場中布撒示蹤粒子，并配以多次曝光照明系統(tǒng)，對噴霧場粒子進行拍照分析的一種光學分析法。PIV技術(shù)系統(tǒng)通常包括示蹤粒子、成像系統(tǒng)(包括曝光系統(tǒng)和CCD數(shù)碼相機)和圖像與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其示意圖如圖2所示［8］。

圖2 PIV技術(shù)系統(tǒng)Fig.2 The PIV technical system

PIV法使用的示蹤粒子應(yīng)具有無毒、無腐蝕、性質(zhì)穩(wěn)定的特點［9］，且流動跟隨性好，故直徑應(yīng)較小，但同時也要保證粒子足夠大，以滿足散光性的要求［10］。典型的曝光系統(tǒng)是雙YAG脈沖激光器組系統(tǒng)。早期照相機拍攝的信息直接記錄在PIV底片，底片需進行濕處理以作進一步分析。目前，PIV法多采用CCD數(shù)碼相機直接把拍照信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計算機分析，但CCD數(shù)碼相機的空間分辨力低于PIV底片。

PIV法能直觀地反映霧化場情況［11］，可靠性高。但由于拍攝圖片會產(chǎn)生不聚焦粒子，使這些粒子在圖片中的大小比實際大，圖片邊緣的粒子也會給分析帶來困難［12］，所以該方法需要用圖像分析軟件處理圖片，且后期數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計工作較多。

隨著技術(shù)的進步，PIV法逐漸向三維化發(fā)展，主要有采用多臺CCD攝像機從不同角度拍照的方法和全息粒子圖像測速技術(shù)。

激光全息攝像法是運用全息照相技術(shù)，對噴霧場拍攝全息圖片、記錄噴霧場信息的方法，包括同軸全息術(shù)和離軸全息術(shù)，可分為記錄和再現(xiàn)兩步［13］。激光全息攝影法測量的對象范圍廣、適用性強，可測量粒子粒徑和速度，精度高，分辨率可達 2 μm［14］，能消除系統(tǒng)誤差。但激光全息攝像法也需要較多的圖片分析工作，對光學設(shè)備的要求較高。運用激光全息攝影法測量兩相流三維空間速度的試驗系統(tǒng)如圖3所示［15］。試驗通過重建分析相隔時間Δt的兩張全息圖片獲取速度信息，實現(xiàn)了兩相流三維空間速度的測量。

圖3 激光全息攝影試驗系統(tǒng)圖Fig.3 Laser holographic test system

非攝影法主要可分為基于激光多普勒效應(yīng)(即反射或折射光干涉原理)和基于繞射散射光原理的方法［15］?；诩す舛嗥绽招?yīng)的方法主要有激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimetry，LDV)法、相位多普勒測速儀(phase Doppler anemometry，PDA)法和光強疊加技術(shù)儀法。基于繞射散射光原理的方法有馬爾文法、光強比例方法和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(laser induced fluorescence，LIF)等。在此以PDA法、馬爾文法和LIF技術(shù)為例介紹此類測量方法的特點。

PDA法是根據(jù)多普勒效應(yīng)的典型測量方法，PDA系統(tǒng)通常由發(fā)射光路系統(tǒng)、吸收光路系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、位移系統(tǒng)和計算機分析軟件組成。系統(tǒng)通過分析運動粒子發(fā)出的光的頻率和照射在運動粒子上的光的頻率的頻差得到粒子速度，通過分析多個探測器之間的相位差得到粒子的粒徑。

運用PDA法分析氣包液的水氣霧化噴嘴的霧化特性，可測定不同工況下霧化粒子的尺寸和速度［16］。基于PDA技術(shù)的粒子分析試驗儀器系統(tǒng)能測量直徑為0.5 μm至幾毫米的球形粒子的大小，其能測量的最大速度為 500 m/s［17］。

PDA法能同時測量粒子大小和速度分布，快速準確，數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作較簡單。但PDA法是對某一點進行測量的技術(shù)，只適合測量球形的霧化粒子，不適用于霧化粒子密度較大的噴霧場［18］。

可適性相位多普勒激光測速儀(adaptive phase/Doppler velocimeter，APV)法是基于激光多普勒效應(yīng)進一步發(fā)展的方法，其測試能力更強，測量范圍更廣，且不受霧化場介質(zhì)濃度和成分的影響［19］，但其受示蹤粒子選擇等實際測量條件的影響較大。

馬爾文法是被廣泛使用的檢測方法，其工作原理是發(fā)射室向噴霧場發(fā)射激光后，通過收集被霧化粒子散射的激光信號進行分析，將接收的散射光能分布換算成粒子的尺寸分布，可測量1～1 800 μm的粒子尺寸分布和速度［6，15］。運用馬爾文法對高壓下水霧霧化特性進行分析，以測量霧化粒子的尺寸。馬爾文粒度分析儀系統(tǒng)原理圖如圖4所示［20］。

圖4 馬爾文粒度分析儀系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of the Malvern particle size analyzer system

馬爾文法測量快速準確，通用性和重復(fù)性好。但由于設(shè)備昂貴，受光敏元件制造重復(fù)性產(chǎn)生誤差的制約，不宜在高溫、霧化粒子密度大、噴霧場光路太長等條件下測量。

激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)是利用某些物質(zhì)分子或原子受激光激發(fā)產(chǎn)生熒光的特性測量流動特性的方法。其原理是熒光染料在激光照射下，原子或分子發(fā)生躍遷產(chǎn)生熒光，用CCD相機捕捉熒光信號，經(jīng)圖像處理分析，測定噴霧場的流強和混合比參數(shù)［2］。

聯(lián)合運用PIV法和LIF法分析旋流噴嘴噴射燃料的噴霧和周圍環(huán)境的空氣流動特性，可測定噴霧速度場等參數(shù)［21］。但目前技術(shù)還不夠成熟，LIF技術(shù)的測量誤差會隨霧化粒子密度的增大而增大［2］。

2 幾種檢測方法對比分析

幾種常見的霧化效果檢測方法對比情況介紹如下。

①機械測量法、電子測量法和光學測量法三類霧化效果檢測方法各有特點，如表1所示。

表1 霧化效果檢測方法對比分析Tab.1 Comparison of atomization detection methods

② PIV法和PDA法是當前國內(nèi)外應(yīng)用較多的兩 種光學測量法，兩種方法的特點如表2所示。

表2 PIV法與PDA法對比分析Tab.2 Comparison of PIV and PDA

③試驗可同時采用多種霧化效果檢測方法，發(fā)揮各方法的優(yōu)勢，并互相補充，使檢測更科學準確。如Barreras F等人運用PIV法和馬爾文法分別測量粒子的速度和尺寸分布［22］;Kashdan J T等人把基于圖片分析技術(shù)得到的數(shù)據(jù)與PDA法的測量數(shù)據(jù)相互對比驗證［23］;Esmail M等人使用高速數(shù)碼相機研究燃料噴嘴的霧化特性，并將測量數(shù)據(jù)和激光熒光誘導(dǎo)技術(shù)、PDA技術(shù)測量得到的數(shù)據(jù)進行對比分析［24］。

3 結(jié)束語

綜合目前各種霧化效果檢測方法可知，機械測量法是傳統(tǒng)的霧化效果檢測方法，其精度較低，適用于定性研究霧化效果;電子測量法應(yīng)用電子領(lǐng)域的原理進行測量，精度比機械法高，適用于對電子性能較好的霧化粒子的測量;光學測量法實現(xiàn)了無干擾測量，是高精度的測量方法，可被廣泛應(yīng)用。各種霧化效果檢測方法各有優(yōu)缺點，沒有可以絕對替代其他方法的檢測方法。因此，實際測量中應(yīng)根據(jù)試驗的具體情況，選擇合適的霧化效果檢測方法，或采用多種檢測方法相互補充驗證，以獲得更準確的試驗數(shù)據(jù)。

［1］吳晉湘，劉衛(wèi)東，周進，等.一種能同時測量噴嘴下游氣液流強的兩相探針的研制［J］.航空學報，1996，17(6):694-701.

［2］楊成虎，劉犇.噴霧場測試技術(shù)研究進展［J］.火箭推進，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］譚丹平，邵毅明.燃油噴射霧化研究方法的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.汽車研究與開發(fā)，2002(4):21-24，39.

［5］曹建明.噴霧學研究國際進展［J］.長安大學學報:自然科學版，2005，25(1):82-86.

［6］韓國棟.霧化效果檢測技術(shù)研究進展［J］.化學自動化及儀表，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］孫柏剛，馮旺聰，李向榮，等.PIV在柴油嘖霧測試中的應(yīng)用［J］.車用發(fā)動機，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］馬中洲，張鳳晶，王曉娟.激光全息攝影技術(shù)及其應(yīng)用［J］.影像技術(shù)，2009(5):31-33.

［14］浦興國，浦世亮，袁鎮(zhèn)福，等.激光數(shù)碼全息技術(shù)在兩相流三維空間速度測量中的應(yīng)用［J］.動力工程，2008，28(2):242-245.

［15］田春霞，仇性啟，崔運靜.噴嘴霧化技術(shù)進展［J］.工業(yè)加熱，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，崔運靜，段希利，等.APV系統(tǒng)實踐測量技術(shù)研究［J］.應(yīng)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

廣東省大學生創(chuàng)新實驗基金資助項目(編號:S1010561100)。

修改稿收到日期:2011-09-02。

劉定平(1965-)，男，1990年畢業(yè)于武漢理工大學熱能動力裝置專業(yè)，獲碩士學位，副教授;主要從事脫硫脫銷方面的研究。