柴油噴霧近場初次破碎微觀特性可視化試驗研究

王錚昊，王 謙，何志霞，吳玉強

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

高壓噴射的燃油經過一系列破碎霧化過程變為微小尺度液滴，增加了燃油與空氣的作用面積，從而促進燃油的快速蒸發并在短時間內形成可燃混合氣。液滴的破碎、霧化、噴霧錐角、粒徑大小、粒徑分布、噴霧貫穿距等噴霧特性影響著燃燒室內混合氣形成，進而影響柴油機的性能。因此，深入理解霧化機理對研究柴油機設計、燃燒和排放控制十分重要。

迄今國內外學者提出了大量的射流霧化模型。首先，燃油噴霧場可分為稠密區和稀薄區［1］。稠密區是指近噴孔區（一般距噴孔4mm范圍內）的噴霧場，該區域內的液滴間距很小，液滴間相互作用不能被忽略。由于稠密區內未擾液核被外圍液滴所包圍，目前基于光學原理的試驗無法獲得其詳細結構，但是未擾液核結構直接關系到射流初始表面波結構及其增長特性。射流離開噴孔后就存在黏著力和破碎力的競爭，由黏著力和分裂力競爭產生的擾動會發生增長并最終導致液體射流發生分裂霧化，這一過程被稱為初次霧化。初次霧化形成的液滴會進一步破碎成更小的液滴，這一過程稱為二次霧化。研究指出，近噴孔區初次霧化特性將決定噴霧下游霧化程度［2］。文獻［3］指出，油束初次破碎受到噴孔內流特性的影響，諸如湍流強度、空穴和速度場。文獻［4］在此基礎上提出湍流擾動、空氣動力和噴孔內部的空化現象是造成高壓柴油噴射初次破碎的3個基本因素。

文獻［5］利用長焦顯微技術對油束不同區域外圍液滴大小及分布進行了拍攝。結果表明，近噴孔區域燃油主要以稠密帶狀液絲形態存在。試驗獲得了噴束表面波結構，但無法獲得被稠密液滴包圍的未擾液核的結構。文獻［6］利用高亮度X射線技術對單孔噴油器近噴孔區域進行了試驗，發現隨壓力升高近噴孔區油束有從層流到湍流的發展過程，并且隨著噴射壓力增大，層流區域逐漸減小直至無法識別。但是此試驗并沒有闡明噴油壓力對噴霧場粒子濃度的影響。

近幾年激光診斷技術已成為內燃機領域研究噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結構的重要工具［7］。由于傳統光源配合高速數碼相機無法獲得近噴孔區清晰的微觀噴霧場圖像，因此為了解霧化機理，探究噴霧表面波的產生機理及增長特性，本研究將現代激光診斷技術應用到噴霧場微觀試驗中來，用Matlab圖像處理工具對微觀噴霧場圖片進行數字圖像處理［8］，獲得了清晰的近噴孔區表面波輪廓曲線，研究了噴霧表面波及近噴孔區織狀油滴［6］的形成和發展及其對初次霧化的影響，結合背光法拍攝，研究了共軌噴射壓力對燃油噴霧粒子濃度及近噴孔射流邊界層的影響規律。

1 試驗設備與試驗方法

本試驗將現代激光診斷技術應用到微觀噴霧場可視化試驗中，利用PIV激光脈沖光源配合顯微鏡頭和高速CCD相機來研究近噴孔區域柴油霧化特性和表面波發展規律。試驗設備主要由高壓共軌柴油噴射系統、光學系統以及圖像采集系統組成。本次試驗通過開展對無蒸發柴油近噴孔區域自由噴霧特性的觀測來探究初次霧化機理。采用YAG激光直接照射法和背光法兩種高射攝影拍攝方案，相互補充來研究燃油初次破碎過程。

PIV技術作為瞬態速度場測試技術已被廣泛應用。本試驗將油滴視作示蹤粒子，結合PIV激光脈沖光源，利用示蹤粒子對光的散射作用，從而獲得瞬時近噴孔區微觀噴霧場。由文獻［7］可知，高速相機捕捉到的圖像明暗強度可以反映粒子分布的密度和均勻性。

本試驗的燃油供給采用先進的高壓共軌系統，其中，高壓油泵可提供0～180MPa的噴射壓力，電控噴射系統能夠實現對噴油壓力的精確控制，降低了壓力波動對燃油霧化過程的影響。通過控制油泵電機轉速以及顯示器直觀顯示來實現對燃油噴射頻率、噴射壓力的控制。試驗選用單孔VCO噴油器作為噴霧研究的對象，噴孔直徑0.2mm。

激光直接照射法的光學系統見圖1，主要包括雙YAG激光器、長焦顯微鏡頭、高速CCD相機以及同步器。首先調整雙YAG激光器為單幀，頻率3Hz，波長532nm，單脈沖能量120mJ，脈沖持續期5ns，可以實現對噴霧場的“凍結”，片光厚度3mm，用導光臂輸出片光直接照射噴霧場。采用奧林巴斯i－speed3高速相機拍攝，2 000幀／s時可以得到1 280×1 024像素的高質量圖片，最高幀速率為150 000幀／s，快門響應時間最快為1μs。背光法則是將YAG激光器換為高能白光光源。采用的顯微鏡頭可將近噴孔區域放大7～12倍，放大后在背光條件下的噴嘴頭部見圖2。

圖像采集系統主要由同步器和圖像處理單元組成。同步器可以實現將激光器脈沖信號和噴油器針閥信號同步，并通過曝光延遲控制，可以得到200～2 000μs不同時刻的近噴孔區域的噴霧場形態。

試驗是在25℃及0.1MPa條件下進行，研究無蒸發燃油霧化特性，得到了不同噴油時刻和噴油壓力下的近噴孔區微觀表面波形態及其發展過程。通過背光法比較不同噴油壓力下的噴霧過程，分析了不同壓力對連續未擾液核區及近噴孔區液柱邊界層的影響，進而探究表面波形成及初次霧化機理。

2 試驗結果分析和討論

2.1 單束噴霧近噴孔微觀噴霧特性

為了從時間和空間尺度上分析不同噴油壓力、同一油束不同位置以及不同噴油時刻的近噴孔射流表面波形成發展過程，并探究液滴破碎機理和液滴濃度分布變化的影響因素，首先對單束噴霧近噴孔區域進行了分析。

圖3示出由激光法拍攝的噴油壓力50MPa下，啟噴200μs時的瞬時噴霧場圖像。圖示為近噴孔1.5mm區域內的微觀噴霧場，可以看出燃油由噴孔噴出后，并未直接霧化成細小的顆粒，而是主要以稠密液絲形態存在。從圖中標注區域的噴霧形態可以看出，氣液界面處發生了大尺度的卷吸作用，最初液絲較小，后逐漸發展成長短不規律的液絲并與射流表面分離，文獻［6］將之稱為織狀物。這是由于高速射流噴出噴孔后與周圍氣體發生強烈擾動，后噴出來的燃油相對于之前噴出的燃油具有更高的速度，所以會撞擊之前噴出的燃油而匯聚成較大的燃油團，由于邊界燃油微團的速度可以分解為軸向和徑向，又加之受到周圍空氣的剪切作用，故微團會被推至油束外圍并被拉長，受到空氣的卷吸作用就會形成這種織狀結構。當微團被拉成液絲，油束與周圍空氣的作用面積大大增加，當液絲增長到一定長度后會斷裂成許多細小微團，從而促進霧化。

由圖3還可以看出，當壓力為50MPa時，油束出噴孔后，邊緣雖然已經部分霧化成油滴，但可以明顯看出中心較暗區域為未擾液核，這是因為粒子對光的衍射率較高，而中心區域還未霧化故較暗。雖然燃油噴出噴孔后就發生了部分霧化，但是并沒有形成表面波，從箭頭指向大約一倍于噴孔直徑的地方開始，噴束表面有微小波動產生。而在距離噴孔出口大約3倍噴孔直徑的地方開始，基本就觀察不到明顯的液絲，說明此時液絲已經基本耗散。由于視場范圍和YAG激光器響應延遲的局限性，此時噴油油束頭部迎風面已經超出視場范圍，故無法觀察到迎風面表面波。圖4示出噴油壓力50MPa時，噴油1 000μs后同一區域的微觀噴霧場。可以看出，當噴霧發展到中期時，織狀液絲已經基本觀察不到。由于噴霧發展到中期，被已霧化液滴包裹的未擾液核也很難分辨清楚。

2.2 不同噴射壓力下微觀噴霧場對比分析

圖5示出噴油200μs后，不同噴射壓力下的微觀噴霧場對比。可以明顯觀察到噴油壓力為5MPa時噴霧霧化程度很差，半透明的液柱區持續距離較長，并且從距離噴孔出口5倍噴孔直徑處才有液滴脫離射流體表面。壓力升高至15MPa后，雖然發生了油滴的破碎和霧化，但可以發現液滴分布非常不均勻，霧化效果不理想。對比噴油壓力15MPa和80MPa的油束可以發現，80MPa時未擾液核區很難辨認，說明壓力增大導致湍流強度增大進而減小未擾液核長度，出噴孔后油束立即發生了較為良好的霧化。對比50MPa和80MPa的油束還可以發現，80MPa時光強分布更均勻，而光強分布與液滴分布是成正比的，因此可以說明液滴分布更加細膩和均勻，可以證明80MPa的霧化程度較好，同時也證明了噴油壓力是決定霧化程度的重要因素之一。

圖6示出噴油壓力10MPa時的微觀噴霧發展圖像。由圖可以看出，噴霧發展初期可以觀察到清晰的半透明液核，并且近噴孔射流初始液柱邊界層也較為清晰，沒有明顯的擾動。隨著噴霧的進行，噴孔內空穴逐漸形成和發展，對近噴孔噴霧特性產生影響，由清晰液核變為模糊液柱并且初始擾動的發生也提前了。這與文獻［9］用X射線拍攝的液核變化趨勢相符。

圖7示出不同噴射壓力下，啟噴200μs時微觀初始噴霧形態的對比。如之前所述，當噴油壓力較低時，噴霧可分為半透明液核階段、模糊噴柱階段和完全霧化階段。從清晰的邊界層到完全霧化需要一定時間的轉變期。而觀察80MPa的初始噴霧場可以發現，當燃油從噴孔噴出后就立即霧化，沒有初始轉化期。對比50MPa的和10MPa的微觀噴霧形態發現，雖然50MPa時無法辨認液核區，但油束出噴孔后仍有一段邊界非常整齊光滑的區域，而且這一區域要比10MPa時小。由此可知隨著壓力升高，光滑區逐漸減小至消失。

3 近場噴霧液核表面波發展分析

由于近噴孔區油束主體與邊緣已霧化油滴很難區分，故需對采集的噴霧圖片進行處理才能辨別噴霧近場表面波。為此，應用文獻［8］和文獻［10］提出的圖像處理方法對噴霧照片應用Matlab進行處理。針對噴油壓力為80MPa的油束處理流程見圖8，并由相同方法得到40MPa和60MPa油束主體的邊緣圖像。從圖像處理結果可以看出，處理后的圖片排除了邊緣已霧化油滴的干擾，對比鮮明，射流主體表面波輪廓清晰，利用提取的邊緣輪廓可以計算出噴霧液柱表面波波長和振幅。

圖9示出計算表面波長和振幅的原理。其中，λi為第i個波長，P為網格數。由于噴孔直徑為定值，故波長所占網格數比上噴孔直徑所占網格數，再乘以噴孔直徑，就可以得到波長長度。圖10示出噴油壓力80MPa、啟噴500μs時的射流表面波波長的計算結果。可以看出，射流表面波在離噴孔出口一段距離處才能分辨，波長隨距離的變化趨勢呈現先增大再減小的循環變動。當波長小于0.05mm時，波長呈波動性增長，而當波長增長到大于0.05mm時，此時波長呈線性迅速增長，隨后又快速減小。這是由于當波長較小時，噴束表面受到黏性力和周圍空氣作用力等多種力的作用，波長增長趨勢不確定。而當波長大于0.05mm后，油束與周圍空氣的相互作用成為主導因素，由于受到空氣的剪切和卷吸力作用，波長迅速增大，因此又進一步增大了表面波與空氣的接觸面積，在波長增大到一定程度后，液滴脫離油束表面霧化，而大波長的表面波也因此迅速衰減。

圖11示出噴油壓力80MPa，啟噴500μs時的射流表面波振幅變化的計算結果。振幅增長方式并不像波長那樣有循環往復的特性，而是有不規則增大的趨勢。在距噴孔較近的區域（2～3倍噴孔直徑）內，表面波振幅增長較為緩慢，當振幅增大到一定程度后（約0.02mm），將發生快速并伴隨較強波動的增長。圖12示出噴油壓力為80MPa時油束射流體表面波波長和振幅合成的散點圖。由圖可知，表面波振幅和波長基本不存在簡單的函數關系，這與文獻［11］的模擬結果相似。

圖13示出在不同噴油壓力下，射流體表面波振幅和波長變化的對比。可以看出，盡管噴油壓力不同，但表面波波長和振幅的增長變化規律相似。波長在13～100μm范圍內變動，振幅在4～52μm范圍內變動。還可以看出，噴油壓力對初始表面波的生成有重要影響，壓力升高，初生表面波更靠近噴孔出口。此外，波長和振幅都有從增大到減小的過程，這是由于油束受到軸向和徑向速度的作用，初始射流體表面波在向前傳播的同時也會向噴束外緣發展，因此不但波長會增大，表面波振幅也會增強。隨著表面波的增長與耗散，噴束邊緣逐漸破碎成更加細小的液滴。

4 結論

a）噴油壓力為50MPa時油束出噴孔后即發生部分破碎霧化，此壓力下表面波并非在剛出噴孔處就形成，而是在距離噴孔約1倍噴孔直徑處首先出現微小波動，隨后波長和振幅都有所增加，增大到一定程度后破碎為小液滴；同時，噴孔附近會形成帶狀液滴微團，帶狀微團隨后斷裂成細小液滴；

b）噴射壓力對噴霧表面波形成發展和初次霧化有較大影響：當壓力不高于40MPa時，可以清楚觀察到出口噴柱有從半透明的液核向模糊噴柱轉變這一過程，說明噴霧初始時間段液核區為層流狀態，尤其在噴油壓力低至10MPa時，剛出噴孔區域的層流邊界層可以清晰辨別出來；而隨著壓力升高，層流區域逐漸減小，當壓力大于80MPa時已經無法辨別層流區域了；

c）隨著噴油壓力的增加，近噴孔區域油滴分布更加均勻，霧化效果更好；

d）近噴孔區射流體表面波波長和振幅隨噴孔出口距離的改變而變化，波長在13～100μm范圍內變動，波長的變動與距離沒有明顯的函數關系，但總是先增大后減小并往復循環；表面波振幅在4～52μm范圍內變動并且有增大的趨勢，但是增長并不是線性的；

e）由表面波振幅和波長合成的散點圖可以發現，表面波振幅和波長之間不存在簡單的線性或是單調函數關系；對比不同噴油壓力的表面波波長可以得出：壓力增大對表面波生成具有促進作用，壓力越大初生表面波越靠近噴孔出口。

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