離軸全息成像測量三維氣動旋流低溫霧化場

宋閣，趙越，汪磊，劉濤，吳迎春, ，林文輝，吳學成

1.中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002 2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027

0 引 言

高海拔環境下的燃燒穩定性與可靠再點火是航空發動機燃燒室重要的性能指標，其中燃油噴嘴霧化特性對點火與穩燃具有關鍵作用。在噴嘴近場發生燃油液滴一次至二次破碎過程，濃霧場內液相結構與粒徑空間分布決定下游稀相霧化場的發展。航空煤油溫度降至-30 ℃時，表面張力及運動黏度增大，對霧化過程產生顯著影響。這些因素易造成低溫燃油條件下航空發動機冷啟動或高空熄火再點火成功率降低。同時，低溫下煤油的霧化粒徑增大，易導致燃燒惡化。因此，開展高海拔低油溫工況下近噴嘴霧化場實驗測試，掌握噴嘴出口處的霧化形態及液滴顆粒信息，對噴嘴霧化規律研究及結構設計優化具有指導意義。

噴嘴霧化特性主要由穿透深度、霧化錐角、液滴索特平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）、液滴均勻度等參數衡量。針對下游稀相霧化場，發展了一系列較為成熟的光學測試技術。噴霧外部形態如穿透深度、霧化錐角等可由米氏散射技術、陰影法與紋影法進行成像與測量。噴霧氣液兩相體積、質量分布定量測量通常采用平面激光誘導熒光方法，尤其是在伴有蒸發現象的燃燒場景中。噴霧液滴粒徑、速度和濃度的同時測量可采用相位多普勒粒子分析儀、平面激光測徑與平面米氏散射、激光誘導熒光耦合等技術實現。液滴粒徑、組分和溫度的同時測量可采用彩虹折射儀，彩虹折射儀與相位多普勒分析儀都對液滴的球形度有一定要求，且彩虹術對溫度梯度參數較為敏感。針對近噴嘴濃相霧化場的光學測試研究難度較大，該區域存在動態的多相流，在噴嘴出口存在非球形液滴及瞬態非軸對稱的液膜、液絲結構，噴霧濃度高且霧化結構復雜，這些特征在低油溫工況下更為突出，使得上述光學測量方法難以實施。目前，對濃霧場中包裹于液滴群內的完整液體結構及其一次破碎過程高分辨成像可采用彈道光技術、結構光照射平面成像技術或X射線成像術實現。

近年來，數字全息技術發展迅速，已成為離散微小顆粒三維測量的有效手段。數字全息可實現霧化場各截面位置的清晰成像，記錄非球形液滴等液相結構，獲取液滴粒徑與三維位置信息，多應用于液滴破碎實驗、噴嘴霧化測試等。其中，離軸全息能夠消除全息圖中孿生像的干擾，得到與原物襯度相同的像，適應近噴嘴強散射環境。皮秒脈沖激光離軸全息可實現航空發動機燃油噴嘴近場的三維霧化測試，通過進一步減小激光脈寬，飛秒脈沖激光離軸全息可應用于光密度更高的場景，例如對內燃機中高壓柴油噴嘴近場包裹于密集液滴群內的大液滴與液絲實現清晰成像。前人研究表明離軸全息技術是測量近噴嘴三維霧化參數的有效實驗手段。

本文使用25 kHz皮秒脈沖激光離軸全息系統對某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴下游30 mm內的近場三維霧化參數開展定量研究。搭建了基于皮秒脈沖激光離軸全息的RP-3航空煤油霧化測試實驗平臺。在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，測試了油溫分別為28、-20、-40 ℃三組工況的近場霧化特性，獲取了含非球形液滴的近噴嘴霧化場清晰成像、液相結構破碎霧化動態過程以及離散液滴粒徑與三維分布信息，為該型噴嘴性能評估及改進設計提供了依據。

1 實驗方案與數據處理

1.1 實驗方案

實驗測試在脈沖激光離軸全息霧化測試平臺上進行。實驗系統主要由油氣供給系統和光學測試系統組成，如圖1所示。實驗用噴嘴為某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴，固定于線性電動位移臺上豎直向下噴霧。以噴嘴出口為y=0平面，水平方向為x方向，垂直方向為y方向，相機靶面與噴霧景深距離為z方向。實驗用油為3號航空煤油RP-3，20 ℃時運動黏度為1.814 mm/s，表面張力為0.024 5 N/m。

圖1 航空煤油RP-3霧化場脈沖激光離軸全息測試系統示意圖Fig.1 Experimental setup of pulsed laser off-axis holographic imaging system for atomization measurement of RP-3

油氣供給系統由氣路與油路組成。氣路系統中，空氣經空氣壓縮機升壓、過濾器凈化后進入噴嘴腔體，使用并聯的減壓閥與針閥對空氣壓力分別進行粗細調節，并以腔內的壓力表記錄實時氣壓值。油路系統中，伺服電機帶動齒輪計量泵，將煤油從油箱依次輸送至油水分離過濾器、制冷系統，經過溫度、壓力傳感器后進入噴嘴。煤油溫度由制冷機進行PID動態控制。在低溫工況實驗中，采用回油式供油方案，即加大低溫煤油在主油路中的流量以使油溫降至-40 ℃，通過調節回油支路針閥開度，控制煤油進入噴嘴的壓力。

光學測試系統主要包含脈沖激光器、空間濾波與擴束系統、分束立方、相干調制系統、信號同步器以及成像系統。經過系統標定，成像系統的等效像素寬度為15.2 μm，空間分辨率為1 280 像素×800 像素，高速相機滿幅幀速率達25 kHz。實驗開始時，激光器接收同步控制器發出的信號，產生脈寬約700 ps、波長532 nm的激光。激光經空間濾波后進行擴束準直，形成直徑約50 mm的均勻直光束。光束經分束立方后分為物光與參考光。物光經空間相干調制后，穿過霧化場攜帶上顆粒信息，與參考光一同照射至相機靶面上生成全息圖。離軸全息成像的單一視場較小（19.5 mm×12.2 mm），實驗中，通過電動位移臺控制噴嘴在x、y方向移動：沿x方向每次移動15 mm，沿y方向每次移動11 mm。拼接后，可得到噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區域的完整霧化場圖像。

正式實驗前進行系統誤差標定。油氣供給系統壓力測控精度優于0.5%，溫度波動范圍±1 ℃。光學測試系統的顆粒粒徑、空間位置測量精度以標準圓點標定板進行標定。圖2為聚焦位置z=362 mm、重建范圍z=350～375 mm的標定板重建結果。對500、200、50 μm標準圓點測量直徑分別為493.5、191.9、40.8 μm，測量標準差分別為2.3、3.5、4.7 μm，均小于5 μm。x、y向定位精度為亞像素級。通過重建剛離開噴嘴的自由下落液滴獲取z向定位精度，約為150 μm。

圖2 高速全息標定板重建結果Fig.2 Reconstruction result of calibration board in high-speed holography

本研究以高原高寒環境中低溫燃油條件下航空發動機冷啟動與高空熄火再點火問題為背景，旨在探討全息技術在低油流量工況下燃油霧化特性測試中的應用，進行了多組變氣壓、油壓、油溫的預實驗。實驗發現：氣壓高于1 kPa時，將在一定程度上抵消低油溫對噴霧形態的影響；在高油壓工況下，燃油將沿油杯壁面流出，形成展開的空心霧錐，其近噴嘴霧化破碎過程與低油流量工況存在很大差異，本研究暫不涉及。綜合考慮，選擇隨油溫變化噴霧形態差異大、霧化場清晰且具有代表性的油壓0.03 MPa和氣壓1 kPa作為固定工況參數，分別進行油溫28、-20、-40 ℃三組實驗，測試不同油溫下氣動霧化噴嘴近場霧化特性。實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

1.2 數據處理

1.2.1 離軸全息重建

全息圖I（x，y）通過重建可以恢復物光波前的強度與相位，從而獲取顆粒的形態與空間位置信息。在滿足近軸近似的條件下，基于瑞利-索末菲衍射公式，可將離軸重建過程表示為：

式中：Г（u，v；z）表示重建光場的復振幅分布；λ為單色光波長；i為虛數單位；R（x，y）為參考光復振幅分布；（x，y）和（u，v）分別為全息平面和重建平面的坐標；z為重建距離。

1.2.2 顆粒識別與定位

全息重建圖像的景深較小，僅有少部分顆粒處于聚焦狀態。采用小波變換法對各截面的重建圖像進行景深拓展，使所有顆粒聚焦于同一平面，得到景深拓展圖像。采用自適應閾值算法對圖像中的顆粒進行識別，獲取投影形貌、等效粒徑以及x、y方向定位，采用邊緣梯度最大方差法獲取顆粒z方向定位。詳細處理算法與流程參見文獻[26，30]。

2 實驗結果與分析

通過數據處理，可以獲取全息圖所記錄的噴霧形態與三維顆粒場，作為后續統計與分析的依據。在油壓0.03 MPa、油溫-20 ℃、氣壓1 kPa工況下，對某幀全息圖進行處理，得到了z=276.5 mm處重建截面及其景深范圍30 mm內的顆粒場三維分布結果（如圖3所示），展示了數據處理的主要流程。

圖3 油壓0.03 Mpa、油溫-20 ℃、氣壓1 kPa工況霧化場瞬態全息圖及其z=276.5 mm處重建截面、三維顆粒場處理結果Fig.3 Transient hologram of spray under oil pressure of 0.03 MPa,oil temperature of -20 ℃, and air pressure of 1 kPa, its reconstructed slice image at z=276.5 mm, and 3D droplet distribution field processing results

2.1 近場噴霧形態與霧化動態過程

通過拼接6個視場的景深拓展圖，獲得不同油溫工況噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區域內的噴霧形態清晰成像，成像結果包含非球形液滴、液膜、液絲等結構。圖4為油壓0.03 Mpa、氣壓1 kPa下，油溫28、-20、-40 ℃時的近噴嘴完整霧化場成像。

拼接視場圖像表明，隨燃油溫度降低，噴霧形態發生顯著變化。如圖4（b）和（c）所示，在低溫工況下，燃油黏度與表面張力顯著增大，導致霧化錐角減小，在噴嘴出口傾向于形成液柱或液膜結構。離開噴嘴出口的低溫燃油破碎為液滴需要更長的距離，在圖4中，油溫28、-20、-40 ℃工況下的破碎距離分別約為4、16、22 mm。低溫燃油霧化均勻度變差，小液滴隨氣流均勻分布于噴霧區，而大液滴趨向噴霧中心分布。與28 ℃噴霧相比，低溫噴霧的液滴數目密度顯著降低，粒徑增大，液相體積主要聚集于大型液體碎片、液膜與液絲中。

圖4 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下不同油溫工況近噴嘴完整霧化場成像Fig.4 Joint depth-of-field extended images of near-nozzle atomization field under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

圖5為油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，油溫28、-20 ℃時，在近噴嘴區域單視場連續12幀時間分辨景深拓展圖中截取的液膜與液絲破碎動態過程，每幀間隔40 μs。如圖5所示，在油溫28、-20 ℃工況下均可以觀察到清晰的霧化破碎動態過程。在氣動力作用下，噴嘴出口處體積較大的液體結構表面產生擾動而形成液膜與液絲，與28 ℃工況相比，在-20 ℃工況下，近噴嘴液絲與大液滴數量明顯減少，液膜破碎過程更為明顯。圖5（a）和（b）中紅色箭頭所指為液膜形成與袋狀破碎的起點；液膜發生袋狀破碎后分離出液絲與大液滴（黃色箭頭所指）；液絲在氣動力與表面張力共同作用下拉長變細，斷裂收縮形成若干液滴，液滴繼續破碎霧化并向下游移動（綠色箭頭所指）。

圖5 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa、油溫28 ℃與-20 ℃時液膜與液絲破碎過程時間分辨成像Fig.5 Time-resolved imaging of liquid films and filaments breaking processes at oil temperature of 28 ℃ and -20 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

燃油溫度降至-40 ℃時，受黏度與表面張力影響，噴嘴出口燃油霧化速度趨緩。圖6為6張間隔25幀（1 ms）的近噴嘴區域單視場時間分辨景深拓展圖。在紅色方框內，由于油杯邊緣環形出口氣流與液柱表面存在相對速度，產生K-H不穩定性，液柱逐漸被周邊空氣拉扯為多枝狀液絲與液膜，隨后液膜被卷吸至高速射流區，被射流沖擊發生袋狀破碎，在液柱附近形成較多細小液滴以及離散液絲。液絲在氣動力作用下從主液柱上脫落，由單一液絲振蕩破碎為大液絲或伴生的一大一小雙液滴，如黃色方框內所示。以上為低溫工況下單噴嘴射流霧化形成液滴的主要過程。

圖6 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，油溫-40 ℃時近噴嘴霧化過程時間分辨成像Fig.6 Time-resolved imaging of near-nozzle atomization process at oil temperature of -40 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

2.2 霧化液滴粒徑分布

對于濃霧場，景深拓展圖會出現各截面聚焦顆粒在投影面發生重疊的現象，使近噴嘴區域與霧錐中心區域的顆粒漏識別情況加重。盡管如此，由于顆粒粒徑參數、位置參數是針對單一重建截面進行處理的，對可識別的離散顆粒，粒徑與定位參數可以準確統計。本節對不同油溫工況噴嘴下游31.5 mm×31.5 mm×90.0 mm空間進行粒徑統計分析。對每組工況中每一個視場采樣63幀圖像進行重建與顆粒信息提取，采樣頻率為1 kHz。

對采樣顆粒進行統計分析時，將粒徑范圍設為30～2000 μm，統計間距設為10 μm。實際實驗中，粒徑超過500 μm的液滴數量占比低于1%，因此針對各工況下30～500 μm內的液滴進行統計并繪成粒徑分布直方圖，如圖7所示。

圖7 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，不同油溫工況近噴嘴霧化場粒徑分布統計Fig.7 Statistics of droplet size distributions in near-nozzle spray region under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

統計結果表明，在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa工況下，85%以上顆粒粒徑分布在200 μm以內，其中30～40 μm粒徑范圍內統計顆粒比例最高，均在15%以上。隨著油溫降低，粒徑分布峰變寬，小粒徑顆粒的占比明顯下降。

3組工況下霧錐截面與空間內顆粒索特平均直徑（SMD）、顆粒數濃度分布如圖8所示。實驗中獲取SMD的方法是將空間分為若干1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm體素，將顆粒按三維位置歸入不同體素后統計計算其SMD。每組工況分別展示噴嘴下游14.5 mm處x-z橫截面、對稱軸截面以及三維空間SMD分布。截面圖中的黑色線條代表單一空間統計區域的顆粒數濃度分布，彩色云圖代表SMD分布。

圖8 油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa下，不同油溫工況霧錐截面與空間粒徑分布Fig.8 Cross-section and spatial droplet size distributions under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

如圖8所示，在油壓0.03 MPa、氣壓1 kPa工況下，油霧顆粒在噴嘴下游14.5 mm處橫截面上基本呈圓形分布，霧錐中心粒徑大于邊緣區域，尚未出現空心錐分布特點。這是由于氣壓與油壓較低時，燃油重力占據主導，大部分燃油直接以液絲或液柱形式下落，并破碎為大液滴，中心區液滴遠離環縫氣流高速區，二次霧化受阻，使得平均粒徑高于邊緣區域。

隨著油溫降低，霧錐截面與空間體積縮小，霧化場SMD明顯增大，液滴數量減少且霧化均勻性降低，霧化質量顯著下降。28 ℃時，近噴嘴霧錐中心液滴粒徑分布約為300 μm左右，霧錐邊緣粒徑分布約在80～150 μm范圍，霧化均勻性高；-20 ℃時，霧錐中心出現大液滴，粒徑在450 μm左右，部分達650 μm以上；當油溫低至-40 ℃時，霧化近場以大型液柱、液膜、液絲以及非球形液滴為主，大型液柱等結構對霧化場中部分顆粒產生遮擋效應，導致近噴嘴區域離散顆粒識別數量降低，影響SMD統計結果。實驗發現，隨著油壓升高，近噴嘴霧化場顆粒濃度顯著提升，液絲、液膜結構的遮擋效應更為明顯，不利于霧錐中心破碎小液滴的識別與量化。不過，本文研究結果表明，全息技術依舊有望對高油壓下離散液滴顆粒進行識別及定位。對于近噴嘴液柱、液絲的形態量化處理，尚待進一步研究。

3 結 論

采用25 kHz皮秒脈沖激光離軸全息系統對某型氣液同軸油杯式霧化噴嘴下游30 mm內的近場霧化過程進行成像測試，獲得以下結論：

1）對油溫28、-20、-40 ℃三組工況噴嘴下游約31.5 mm×31.5 mm區域的霧化近場實現清晰成像，記錄包含非球形液滴、液膜、液絲的典型霧化場結構。動態可視化結果表明，隨油溫降低，燃油霧化破碎距離延長，霧化錐角減小，噴霧濃度與均勻性急劇下降。

2）對近噴嘴霧化過程實現40 μs間隔的時間分辨動態成像記錄。觀察到28、-20 ℃工況下典型的液膜袋狀破碎及液絲分解過程。記錄了-40 ℃工況下噴嘴出口液柱向多枝狀液絲與液膜結構演化、液膜破碎、液絲剝落與振蕩破碎的完整霧化過程。

3）對油溫28、-20、-40 ℃三組工況霧化場中粒徑范圍30～500 μm的液滴進行了統計分析，顆粒總體粒徑在200 μm以內，其中30～40 μm粒徑范圍內顆粒數量占比最高，均在15%以上。

4）獲取了不同油溫下霧錐截面與空間粒徑分布信息。粒徑分布呈霧錐中心大、邊緣小的趨勢；隨油溫降低，霧化場SMD增大，霧錐中心粒徑由300 μm左右逐漸增大至650 μm以上；油溫降至-40 ℃時，霧化近場以大型液柱、液膜與液絲結構為主。

本文研究結果表明，高速皮秒脈沖激光離軸全息技術可以實現霧化噴嘴近場低溫霧化過程的清晰成像與記錄。通過后期處理，可以量化得到近場三維霧化參數，為不同工況下航空發動機燃油噴嘴結構設計優化、燃料霧化特性與機理研究提供技術支持。