壓力式噴嘴霧化特性測定實驗裝置

田 昌, 胡曉紅, 趙志軍

(上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

壓力式噴嘴霧化特性測定實驗裝置

田 昌, 胡曉紅, 趙志軍

(上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

為更好理解燃料霧化特性對于燃燒過程的影響，以微型燃氣輪機噴嘴組為研究對象，搭建了噴嘴霧化特性測定實驗裝置。實驗裝置主要針對壓力式噴嘴設計，在測量方法上，選用可視化的圖像處理技術作為霧化參數測定手段。通過對拍攝得到的霧化顆粒的投影圖像經過圖像處理和特征提取，得到顆粒的粒徑和濃度信息。測試實驗結果，顆粒粒徑測試結果與產品廠家提供參數相近，結果可信，也表明該實驗裝置可用于研究噴嘴組霧化特性。

壓力式噴嘴; 霧化特性； 顆粒粒徑； 圖像法

霧化燃燒過程在汽車發動機、燃油鍋爐、燃氣輪機等動力裝置中是常見的液體燃料燃燒方式[1-2]。為了讓學生更好地理解和掌握液體燃料霧化燃燒過程和燃燒特性，建設了燃燒綜合實驗臺、微型燃氣輪機實驗裝置、余熱鍋爐綜合實驗裝置等燃燒相關實驗臺，可以開展燃料燃燒、火焰傳播速度測定、燃燒效率測定以及燃燒熱平衡等多種燃燒實驗。作為燃燒室關鍵部件之一的噴嘴的霧化特性直接影響燃燒室火焰穩定性、溫度分布和燃燒效率[3]，但已有實驗臺并未設置相關內容。因此，設計一套噴嘴霧化特性測定實驗裝置，對噴嘴的霧化情況進行研究十分必要。常見的噴嘴霧化特性研究的方法有數值模擬和實驗驗證兩種[4-5]，兩種研究方法各有優劣，本文采用實驗研究方法。霧化顆粒細度、霧化顆粒均勻度以及霧化顆粒濃度分布是研究噴嘴霧化流場須重點關注的參數。通常使用的測量方法有平面粒子圖像測速儀[6-7]、激光粒度分析法[8]和圖像法[9-10]等，各有千秋。

本文以某微型燃氣輪機噴嘴組作為待測噴嘴，以柴油作為霧化介質，設計了噴嘴霧化特性測試實驗裝置，并選用CCD(charge-coupled device)圖像分析法對噴嘴霧化柴油形成霧化流場進行測試。測試結果與噴嘴廠家提供參數進行比對表明，本文設計的實驗裝置能夠用于噴嘴霧化特性測試，且CCD圖像法測試結果可行。

1 圖像法測量理論

圖像法表征顆粒特性是利用CCD等圖像傳感元件，采集顆粒圖像信息并進行分析。其優勢在于能夠利用成像技術直觀地得到顆粒投影圖像，從而實現對球形顆粒以及非球形顆粒的粒徑測量，最終得到顆粒場的粒徑分布信息和顆粒相的濃度信息[11-12]。

1.1 圖像處理基本過程

本文對噴嘴霧化顆粒圖像的處理流程大致如圖1所示，首先對圖像進行灰度化處理，消除色彩因素，提高處理效率；然后通過二值化操作來突出顆粒的特征信息，并在二值化之前進行圖像濾波、圖像增強和離焦模糊圖像的復原等預處理工作，保證二值化精準度；再進行離焦模糊顆粒去除、粘連顆粒分割[13]等再處理工作；最后提取顆粒的特征信息。

圖1 顆粒圖像處理流程圖

1.2 圖像二值化處理

二值化就是將圖像變成黑白圖，從而使得圖像能凸顯出顆粒的輪廓等信息。而二值化的關鍵在于找到一個最佳分割閾值T，使得背景和顆粒之間的差異最大，有了閾值T就可以對顆粒的灰度圖像進行分割，即:

(1)

其中f(x,y)表示圖像的灰度。考慮到在霧化顆粒測量過程中的光線不均勻，因此在選取二值化方法時，需要適應光線不均勻的情況。經過對比分析，本文采用自適應二值化法。

1.3 粘連顆粒的分割

在實際的霧化流場中，液滴之間會發生碰撞，出現粘連現象。為準確測量顆粒粒徑信息，本文使用分水嶺算法分割粘連顆粒。這個過程主要通過兩個步驟來完成：首先對圖像的灰度值進行排序，然后在每一個極小值處開始搜索并進行標記，例如從某一極小值P處開始搜索，對于像素P1,首先判斷其是否標記過，若沒有標記過，則將其標記為和P一個區域，否則就繼續搜索下一個像素點，直到最后所有的像素均有各自所屬的區域。本文是對含有粘連顆粒的二值圖像的分割。首先對它進行距離變換，突出各個集水盆，得到一系列局部極小值，然后再通過分水嶺變換對圖像進行劃分，得到各個區域的分水嶺，分水嶺表示為一系列極大值點，將這些點置為黑色，則可得到分割后的圖像。

1.4 顆粒特征提取

對工業相機采集到的原始顆粒圖像進行上述一系列處理，使灰度圖轉化為二值圖。二值圖中包含兩種像素，黑色背景部分，像素值為0；白色顆粒部分，像素值為1。計算圖像中各白色顆粒部分包含的像素數，即每個顆粒的像素面積，記為s。顆粒像素直徑d為

(2)

顆粒的實際測量直徑dr可以由下式計算得到：

dr=d×p

(3)

其中p即為每個像素所代表的實際大小。對于霧化顆粒，由于其主要是圓球形和橢球形顆粒，采用圓形近似的方法來分析其相應的粒徑和輪廓特征具有較好代表性。

2 噴嘴霧化實驗裝置

2.1 實驗裝置設計及實驗

本文研究對象是壓力式霧化噴嘴，設計的壓力式燃油霧化特性測定實驗裝置總體示意圖見圖2。實驗裝置可分為燃料供給系統、噴嘴及噴嘴組、可視化霧化測定暗室、數據采集和控制系統、油氣分離排出系統、燃油回收系統等6大部分。

圖2 實驗裝置總體示意圖

相比于測量空間，待測霧化顆粒很小。若采用自然光照射顆粒，則顆粒與背景對比度不夠強，顆粒圖像會顯得模糊，因此本實驗從側面利用片光源(激光)照射顆粒，如圖3所示。

圖3 實驗觀測箱及測點布置圖

2.2 霧化液滴粒度測量結果

實驗采用的鏡頭為12 mm定焦鏡頭，光源為自然光和片光源。實驗工況參數如下：實驗介質為柴油，20 ℃時柴油黏度為3.8 cst，壓力為0.45 MPa，流量為1.2 L/min，油溫為18 ℃。實驗過程中霧化顆粒圖像測點如圖3所示布置。圖4和圖5分別是采集到的霧化顆粒圖片和經過處理之后的圖片。

圖4 實驗采集得到的原圖

圖5 處理后的圖片

保證實驗工況不變，進行多次測試，表1為對各組實驗的實驗圖片進行批量分析后得到的統計結果。從表中可以看出，實驗測得的中位徑(D50)與廠家提供參數存在一定偏差。第一組D50測試結果小于廠家數據，其余3組數據均大于廠家數據。分析認為第一組實驗為霧化過程開始不久記錄的數據，且數據記錄時長小于后面3組，霧化流場內液滴分布在霧化起始階段并不均勻，導致采集到的圖像代表性不夠而產生誤差。第二組和第三組的D50實驗結果基本一致。綜觀4組測量結果，雖存在一定偏差，但絕對偏差并不大，且數據變化總體趨勢一致。

表1 各組實驗結果及對比

2.3 霧化液滴濃度測量結果

噴嘴霧化產生的霧化顆粒數目在霧化流場內動態變化且其隨時間波動較大。測量區內的濃度換算采用平均數目概念，表達式如下所示：

(4)

式中：N表示測量區的顆粒數，其可用某一時間段每張圖像采集的平均顆粒數來代替；S即為測量區的大小，由CCD相機和鏡頭決定，經計算得到文中裝置測量區大小為0.63 dm2。從表2中看出，4組實驗測量結果基本一致。

表2 煙幕顆粒濃度測量

3 結論

開發噴嘴霧化特性實驗裝置無論對于教學還是科研都具有一定價值。隨著CCD成像技術的不斷發展，其直觀、可視化和低成本的優勢，使其在顆粒粒度和濃度測量中得到越來越多應用。在圖像分析中，通過對圖像進行圖像濾波、圖像增強和離焦模糊圖像的復原等預處理工作，保證二值化精準度。通過離焦模糊顆粒去除、粘連顆粒分割等預處理工作保證提取特征信息的準確性。本文設計的壓力霧化式噴嘴霧化特性實驗裝置并選用可視化的CCD成像技術作為特性參數測定方法，通過一系列實驗驗證，本裝置可以用于燃料霧化特性測試且圖像法測試結果可信。

References)

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Experimental device for measuring atomization characteristics of pressure nozzle

Tian Chang, Hu Xiaohong, Zhao Zhijun

(School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China)

In order to better understand the effect of the fuel atomization characteristics on the combustion process, and by taking the micro-gas turbine nozzle set as the object of study, an experimental device for measuring the nozzle atomization characteristics is built. The experimental device mainly aims at the design of the pressure nozzle. Regarding the measuring method, the visualized image processing technology is chosen as the measuring means of fog parameters. Through the image processing and the feature extraction of the projected images of the atomized particles which are filmed, the particle size and the concentration information are obtained. The experiment shows that the test result of the particle size is close to that offered by the manufacturers, and the result is reliable. It indicates that the experimental device can also be used to study the atomization characteristics of the nozzle set.

pressure nozzle; atomization characteristics; particle size; image method

G482;TK413.8

A

1002-4956(2017)10-0075-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.020

2017-04-20

上海高校本科重點教學改革項目(滬教委高[2014] 23)；上海理工大學教師發展研究項目(CFTD17007Y)

田昌(1987—)，男，山東兗州，碩士,實驗師，研究方向為動力工程測控技術.

E-mail：tianchang1987@126.com