噴嘴霧化參數(shù)軌跡圖像法測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

施智雄，潘科瑋，平力，楊斌

（1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093；2上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海201109）

引 言

霧化是液體通過噴嘴噴射，克服自身表面張力，分散破碎形成小液滴的過程[1-2]，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、農(nóng)業(yè)灌溉、植物保護(hù)、工業(yè)防塵、醫(yī)療器械、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等領(lǐng)域[3-6]。液體霧化質(zhì)量直接關(guān)系到相關(guān)設(shè)備的工作性能，通常評(píng)價(jià)霧化性能及質(zhì)量的主要指標(biāo)有霧化角、霧化細(xì)度及均勻度、霧化液滴運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)[7-10]。準(zhǔn)確測(cè)量噴嘴霧化參數(shù)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及性能評(píng)估都有重要意義。

目前，噴嘴霧化參數(shù)測(cè)量方法主要有光散射法、激光多普勒測(cè)速儀（laser Doppler velocimetry,LDV）、相位多普勒粒子分析儀（phase Doppler particle anemometer, PDPA）、粒子圖像測(cè)速儀（particle image velocimetry,PIV）等方法[11-14]。Su等[15]利用激光散射法測(cè)量了噴霧液滴粒度分布；Cheng等[16]利用PDPA 技術(shù)測(cè)量了噴霧液滴粒徑及分布規(guī)律；Rodrigues 等[17]利用PDPA 技術(shù)測(cè)量了乙醇液體在空氣和氧化劑介質(zhì)中的液滴粒徑和顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布規(guī)律；李繼保等[18]利用PIV 技術(shù)測(cè)得噴嘴液膜在不同液壓差下的各項(xiàng)特性參數(shù)，分析了霧化角在液膜破碎前隨液壓差的變化規(guī)律；Santangelo[19]利用PIV 技術(shù)研究了細(xì)水霧在高壓下噴射顆粒和周圍流體之間的相互作用。這些方法廣泛被用于霧化機(jī)理研究、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化及霧化性能評(píng)估等，但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說，這些方法也存在一些問題，例如激光散射法通過測(cè)量激光經(jīng)待測(cè)區(qū)域形成的散射光強(qiáng)分布反演得到粒徑參數(shù)，液滴粒徑測(cè)量精度受光強(qiáng)分布與反演算法選取影響；LDV 與PDPA利用激光與液滴運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)來測(cè)量液滴粒徑、運(yùn)動(dòng)速度及分布，測(cè)量精度受激光及探測(cè)方向影響；PIV 技術(shù)通過激光照射噴霧，利用液滴成像獲得粒徑，同時(shí)比較分析相鄰時(shí)刻液滴成像變化來得到液滴速度，但對(duì)成像幀率要求較高。

軌跡圖像法是利用工業(yè)相機(jī)拍攝光源照射下運(yùn)動(dòng)顆粒在適當(dāng)曝光時(shí)間內(nèi)的軌跡圖像來獲得宏觀形態(tài)、顆粒粒徑與運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)的測(cè)量方法[20-23]，適合用于較低顆粒運(yùn)動(dòng)速度與顆粒濃度特點(diǎn)的噴霧霧化參數(shù)測(cè)量，具有結(jié)果直觀、系統(tǒng)可靠、處理流程簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，本文采用軌跡圖像法開展噴嘴霧化參數(shù)測(cè)量，通過調(diào)整不同測(cè)量位置，獲得噴嘴出口附近液膜或流股軌跡圖像與液滴霧化后單液滴軌跡圖像，分別得到噴嘴霧化角、液滴粒徑與運(yùn)動(dòng)速度及其分布等參數(shù)，并開展不同噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸與霧化壓力下扇形噴嘴霧化參數(shù)測(cè)量及影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。

1 軌跡圖像法噴嘴霧化測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

噴嘴霧化測(cè)量系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭與背光光源等組成，設(shè)置于同一成像軸上，如圖1 所示。背光光源產(chǎn)生平行光照射噴霧后，通過設(shè)定合適的曝光時(shí)間，由遠(yuǎn)心鏡頭與工業(yè)相機(jī)組成的成像系統(tǒng)獲得液滴背光陰影軌跡圖像，通過圖像處理獲得噴嘴霧化角、霧化細(xì)度、液滴運(yùn)動(dòng)速度及分布參數(shù)。其中，工業(yè)相機(jī)最大幀率為60 幀/秒，最短曝光時(shí)間為17.188 μs，最大曝光時(shí)間為1126.383 ms，最大分辨率為1280×960；遠(yuǎn)心鏡頭放大倍率為0.5 倍，工作距離150 mm。

圖1 霧化參數(shù)軌跡圖像法測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Atomization parameters measurement system based on trajectory imaging method

由于扇形噴嘴是可以產(chǎn)生均勻?qū)ΨQ扁平射流且具有較大范圍霧化角的噴嘴，工業(yè)應(yīng)用最為廣泛[24-25]，因此，本文選取扇形噴嘴開展測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取距噴嘴垂直距離1 mm 和400 mm 兩個(gè)成像高度對(duì)噴霧進(jìn)行測(cè)量：當(dāng)相機(jī)與噴嘴距離為1 mm 時(shí)，即為噴嘴出口成像工作模式，主要為了獲得噴嘴出口附近液膜或流股的軌跡圖像，從而得到噴嘴霧化角參數(shù)；當(dāng)相機(jī)與噴嘴距離為400 mm 時(shí)，即為霧化液滴細(xì)度與運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量工作模式，主要為了獲得液滴霧化后單液滴軌跡圖像，從而得到霧化細(xì)度與液滴運(yùn)動(dòng)速度及分布參數(shù)。

2 軌跡圖像法霧化參數(shù)測(cè)量原理與驗(yàn)證

評(píng)價(jià)噴嘴的霧化質(zhì)量主要是通過霧化角、霧化細(xì)度及均勻度、霧化液滴運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)去衡量。軌跡圖像法利用背光陰影成像技術(shù)，通過適當(dāng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間獲得液滴軌跡圖像，通過噴嘴出口不同位置液滴軌跡圖像處理，得到霧化角、霧化細(xì)度、液滴運(yùn)動(dòng)速度及分布參數(shù)，其測(cè)量原理如下。

2.1 軌跡圖像霧化角測(cè)量原理

在噴嘴出口附近由工業(yè)相機(jī)拍攝噴嘴霧化圖像，在曝光時(shí)間內(nèi)，噴嘴噴出的液膜或流股形成清晰的軌跡圖像，圖像中液膜或流股外包絡(luò)線形成的夾角即為噴嘴出口霧化角。因此，將噴嘴出口霧化圖像進(jìn)行預(yù)處理后轉(zhuǎn)為二值化圖像并提取霧化角邊緣，將邊緣位置坐標(biāo)線性擬合得到噴嘴出口霧化角。

邊緣線性擬合采用最小二乘法，通過求霧化邊緣上已知數(shù)據(jù)點(diǎn)到最佳擬合函數(shù)直線距離的二次方和最小化[26]。對(duì)圖像上的左右邊界數(shù)據(jù)點(diǎn)x、y 與直線y=ax+b 做回歸分析，得到霧化角邊界的擬合直線方程，分別為

式中，a11、a21分別表示噴霧錐角兩邊界的擬合直線斜率。

由此，可計(jì)算霧化角β為

根據(jù)軌跡圖像霧化角測(cè)量原理，將噴嘴霧化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置成噴嘴出口成像工作模式，獲得典型工況（0.66 mm孔徑、0.3 MPa霧化壓力）65°扇形噴嘴出口附近液膜或流股的軌跡圖像，如圖2(a)所示。為分析得到噴嘴出口霧化角，采用如下圖像處理流程：（1）將該圖像進(jìn)行預(yù)處理之后得到噴嘴出口霧化二值化圖像[圖2(b)]；（2）將二值化圖像進(jìn)行邊緣提取得到霧化角邊界[圖2(c)]；（3）通過最小二乘法線性擬合霧化角邊界直線，再利用式(2)得到噴嘴霧化角[圖2(d)]，從而得到噴嘴出口霧化角為82.21°。

圖2 典型霧化角圖像處理過程Fig.2 Typical image process of atomization angle

2.2 軌跡圖像霧化細(xì)度與液滴速度測(cè)量原理

對(duì)于霧化細(xì)度與液滴速度測(cè)量，主要利用單液滴軌跡圖像處理得到。在適當(dāng)曝光時(shí)間下，背光成像系統(tǒng)獲得液滴運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，如圖3 所示，假設(shè)液滴為球形，在極短曝光時(shí)間t 內(nèi)，液滴勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)該軌跡圖像處理，獲得軌跡寬度d，軌跡長(zhǎng)度l 信息。

因此，噴霧液滴粒徑為

式中，a 為圖像傳感器的像素元邊長(zhǎng)，m 為鏡頭放大倍率。

圖3 軌跡圖像法測(cè)量原理Fig.3 Schematic diagram of trajectory imaging method

液滴的速度為

根據(jù)軌跡圖像霧化細(xì)度與液滴速度測(cè)量原理，將噴嘴霧化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置成霧化液滴細(xì)度與運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量工作模式，獲得典型工況（0.66 mm 孔徑、0.3 MPa 霧化壓力）65°扇形噴嘴400 mm 高度處的噴霧液滴軌跡圖像，如圖4(a)所示。為分析得到噴嘴霧化細(xì)度與運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)，采用如下圖像處理流程：（1）由于圖像在生成、獲取、傳輸?shù)冗^程中往往會(huì)發(fā)生質(zhì)量的退化或損傷，若直接對(duì)圖像進(jìn)行分析會(huì)造成最后的結(jié)果偏差[27]，因此，對(duì)上述液滴軌跡圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，使目標(biāo)與背景、目標(biāo)與目標(biāo)之間的對(duì)比度提高[圖4(b)]；（2）由于圖像采集過程中光照強(qiáng)度不均勻會(huì)導(dǎo)致圖像背景亮度不均勻，因此，通過底帽變換校正背景光照的不均勻性以獲得背景亮度均勻的圖像[28-30][圖4(c)]；（3）將經(jīng)過背景均勻化后的圖像進(jìn)行二值化處理，處理后的圖像白色部分即為目標(biāo)顆粒圖像，黑色部分為背景[圖4(d)]，從而分析獲得液滴軌跡參數(shù)，進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì)，圖4的液滴數(shù)為41 個(gè)，其平均粒徑為123 μm，平均速度為9.85 m/s。

圖4 典型霧化細(xì)度及速度液滴圖像處理過程Fig.4 Typical image process of atomization fineness and droplet velocity

2.3 軌跡圖像法運(yùn)動(dòng)顆粒粒徑測(cè)量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軌跡圖像法的測(cè)量精度，利用圖1 所示的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量樣品池標(biāo)準(zhǔn)顆粒圖像，將工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、樣品池與背光光源置于同一水平軸上。調(diào)整樣品池位置至成像平面處，選取標(biāo)準(zhǔn)顆粒置于樣品池內(nèi)并使其成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，獲得標(biāo)準(zhǔn)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，如圖5(a)所示，按照上述軌跡圖像測(cè)量原理，獲得顆粒粒徑分布結(jié)果如圖5(b)所示，測(cè)量平均粒徑為79.1 μm，與標(biāo)準(zhǔn)顆粒公稱直徑相對(duì)偏差誤差結(jié)果為2.8%，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)顆粒粒徑測(cè)量精度。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖像及粒徑分布測(cè)量結(jié)果Fig.5 Trajectory image of dynamic standard particle and measurement results of particle size

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與分析

為研究孔徑與霧化壓力對(duì)扇形噴嘴霧化參數(shù)的影響，本文選取0.66、0.91、1.10 mm 孔徑65°扇形噴嘴在0.3 MPa 霧化壓力下與0.66 mm 孔徑65°扇形噴嘴在0.1、0.2、0.3、0.4 MPa霧化壓力下開展噴嘴霧化參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 噴嘴工況參數(shù)對(duì)噴霧角的影響分析

每次實(shí)驗(yàn)獲取20 張以上噴嘴霧化圖像進(jìn)行處理，以處理結(jié)果平均值作為測(cè)量結(jié)果。不同孔徑的65°扇形噴嘴霧化角測(cè)量結(jié)果如圖6 所示，可以看出，在霧化壓力為0.3 MPa 的情況下扇形噴嘴的霧化角較為穩(wěn)定，孔徑為0.66 mm 的扇形噴嘴其霧化角經(jīng)多次測(cè)量后的平均值為90.69°,孔徑為0.91 mm的扇形噴嘴其霧化角平均值為80.27°，而孔徑為1.10 mm 的扇形噴嘴其霧化角平均值為77.74°。霧化角隨扇形噴嘴孔徑的增大而減小，這是由于流量隨孔徑的增加而增大，表現(xiàn)出噴出的液膜厚度增大，厚度的增加會(huì)使液體的表面張力增強(qiáng)，從而使液膜不易擴(kuò)散，導(dǎo)致霧化角減小。在0.3 MPa 下，孔徑0.66 mm 的噴嘴比孔徑1.10 mm 的噴嘴霧化角平均值減小16.66%。

圖6 不同孔徑噴嘴的霧化角測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of atomization angle of nozzles with different pore sizes

測(cè)量孔徑0.66 mm 的扇形噴嘴在0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 不同壓力工況下的霧化角，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。可見當(dāng)霧化壓力從0.1 MPa 增加到0.4 MPa時(shí)，霧化角增加47.71%。這是由于液體的表面張力由液膜厚度決定，而液膜的厚度受噴嘴孔徑大小影響，因此在噴嘴孔徑不變的情況下，液體的表面張力不變。所以，隨著霧化壓力的增加，液體的表面張力更易克服，從而導(dǎo)致霧化角隨著霧化壓力的增加而增大。

圖7 不同壓力下噴嘴的霧化角測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measurement results of atomization angle under different pressures

3.2 噴嘴工況參數(shù)對(duì)液滴粒徑影響分析

在0.3 MPa 壓力的工況下不同孔徑扇形噴嘴的液滴粒徑分布如圖8 所示。從圖8 結(jié)果可見，扇形噴嘴的液滴粒徑分布范圍從40 μm 到280 μm。孔徑為0.66 mm 的扇形噴嘴其液滴粒徑分布主要集中在60～120 μm，孔徑為0.91 mm 的扇形噴嘴其液滴粒徑分布主要集中在80～140 μm，而孔徑為1.10 mm的扇形噴嘴其液滴粒徑分布主要集中在120～180 μm。

圖8 不同孔徑噴嘴的液滴粒徑分布Fig.8 Size distribution of droplet particles of nozzles with different apertures

表1 為不同孔徑噴嘴的液滴數(shù)目平均粒徑，由表中結(jié)果可以看出，孔徑1.10 mm 噴嘴的液滴數(shù)目平均直徑大于孔徑0.66 mm噴嘴，孔徑1.10 mm噴嘴的液滴粒徑比孔徑0.66 mm 噴嘴的液滴粒徑大26.82%。這是由于噴孔直徑增大會(huì)導(dǎo)致其噴嘴流量增大，所以在實(shí)驗(yàn)過程中孔徑為1.10 mm 的噴嘴產(chǎn)生的液滴密度更高，這也就更容易導(dǎo)致液滴在運(yùn)動(dòng)過程中彼此相互碰撞重新聚合形成新的大尺寸液滴。

表1 不同孔徑噴嘴的液滴數(shù)目平均粒徑Table 1 Average diameter of droplet particles of nozzles with different apertures

霧化壓力為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa 工況下孔徑為0.66 mm 的扇形噴嘴液滴粒徑分布測(cè)量結(jié)果如圖9所示。由圖可見霧化壓力從0.1 MPa 變化到0.2MPa，液滴粒徑分布的變化趨勢(shì)并不明顯。但當(dāng)壓力增加到0.3 MPa 時(shí)，液滴粒徑減小，粒徑分布主要集中在40～120 μm，而霧化壓力從0.3 MPa 變化到0.4 MPa，液滴粒徑分布的變化趨勢(shì)也不明顯。

不同霧化壓力下液滴數(shù)目平均粒徑結(jié)果如表2所示。結(jié)合表2 與圖9 可以看出，液滴粒徑會(huì)隨著霧化壓力的提高而減小。在噴嘴孔徑為0.66 mm 的情況下，霧化壓力從0.1 MPa 增加到0.4 MPa 的過程中，液滴數(shù)目平均粒徑在減小，減小幅度為44.23%。這是因?yàn)橐旱瘟绞莒F化壓力與液滴的表面張力影響，當(dāng)霧化壓力超過液滴表面張力的臨界值時(shí)，液滴就會(huì)碎裂成為更細(xì)小的液滴。

圖9 不同壓力下噴嘴的液滴粒徑分布Fig.9 Size distribution of droplet particles of nozzle under different pressures

表2 不同壓力下噴嘴的液滴數(shù)目平均粒徑Table 2 Average diameter of droplet particles of nozzles under different pressures

3.3 噴嘴工況參數(shù)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響

不同孔徑的扇形噴嘴的液滴運(yùn)動(dòng)速度分布如圖10 所示，速度平均值如表3 所示。可知在霧化壓力0.3 MPa 下，隨著噴嘴孔徑的增加，液滴的運(yùn)動(dòng)速度也在增加，孔徑1.10 mm 噴嘴的液滴運(yùn)動(dòng)速度比孔徑為0.66 mm的噴嘴提高10.42%。這是由于液滴在下落過程中的運(yùn)動(dòng)速度受霧化壓力、重力與空氣阻力共同作用，結(jié)合上述液滴粒徑規(guī)律，在相同霧化壓力下，孔徑1.10 mm 噴嘴的液滴粒徑更大，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)增大。

圖10 不同孔徑噴嘴的液滴運(yùn)動(dòng)速度分布Fig.10 Velocity distribution of droplet particles of nozzles with different apertures

表3 不同孔徑噴嘴的液滴平均運(yùn)動(dòng)速度Table 3 Average velocity of droplet particles of nozzles with different apertures

在不同壓力下，孔徑為0.66 mm 的扇形噴嘴的液滴運(yùn)動(dòng)速度分布如圖11所示，其平均速度結(jié)果如表4 所示。可見隨著霧化壓力的增加，液滴的運(yùn)動(dòng)速度大幅增加，霧化壓力從0.1 MPa 增加到0.4 MPa時(shí)，液滴平均運(yùn)動(dòng)速度增加幅度為95.10%。這是因?yàn)閲娮祆F化過程中液滴的運(yùn)動(dòng)過程受霧化壓力主導(dǎo)，而受顆粒粒徑影響較小。雖然霧化壓力增加會(huì)導(dǎo)致液滴粒徑變小，但壓力增加對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)速度的影響遠(yuǎn)大于對(duì)液滴粒徑的影響，因此，霧化液滴運(yùn)動(dòng)速度隨霧化壓力增大而大幅增大。

圖11 不同壓力下噴嘴的液滴運(yùn)動(dòng)速度分布Fig.11 Velocity distribution of droplet particles under different pressures

表4 不同壓力下噴嘴的液滴平均運(yùn)動(dòng)速度Table 4 Average velocity of droplet particles of nozzles under different pressures

4 結(jié) 論

本文基于軌跡圖像法測(cè)量原理搭建噴嘴霧化參數(shù)測(cè)量裝置，利用標(biāo)準(zhǔn)顆粒驗(yàn)證了該方法對(duì)運(yùn)動(dòng)顆粒粒徑測(cè)量的精度，并開展了不同噴嘴工況參數(shù)下噴嘴霧化角、霧化細(xì)度、液滴運(yùn)動(dòng)速度及分布參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

（1）軌跡圖像法通過兩個(gè)位置測(cè)量，對(duì)噴嘴出口附近霧化成像可得到其出口霧化角；對(duì)霧化后單液滴成像，可獲得液滴粒徑與運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)，統(tǒng)計(jì)可得到其粒徑與運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)分布，從而實(shí)現(xiàn)噴嘴霧化角、霧化細(xì)度、液滴運(yùn)動(dòng)速度及分布的多參數(shù)同步測(cè)量。

（2）在0.3 MPa 霧化壓力下，改變扇形噴嘴孔徑時(shí)，霧化細(xì)度與液滴運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨著扇形噴嘴孔徑的增大而增大，在扇形噴嘴孔徑從0.66 mm 增大到1.10 mm 時(shí)，增加幅度分別為26.82%、10.42%；但霧化角會(huì)隨著扇形噴嘴孔徑增大而減小，減小幅度為16.66%。

（3）對(duì)于噴嘴孔徑為0.66 mm 的65°扇形噴嘴，改變霧化壓力時(shí)，霧化角與液滴運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨著霧化壓力的增加而增大，在霧化壓力從0.1 MPa 增加至0.4 MPa 時(shí)，增加幅度分別為47.71%、95.10%；但霧化細(xì)度會(huì)隨著壓力增加而減小，減小幅度為44.23%。