喷嘴喷雾特性检测技术

Abstract: Several modern measuring methods applied in spray characteristic experiments were introduced, the principles and the priorities, limitation of these measurements were also summarized.
为基础的，雾场中的分子散射可以用瑞利散射理论来解释。喷 雾场中φ方向的瑞利散射光强I表示为：
的解释，如空气动力干扰说、压力振荡说、湍流扰动说、空气 扰动说、边界条件突变说等，但其中没有一种能完全令人信服 并经受实验的检验[1]。
目前国内外对液体喷射雾化机理还在广泛深入地进行研 究，主要从两方面进行：一是继续深入理论探讨，并利用数值 计算技术建立多种假说模型进行数值模拟研究；另一方面则利 用先进的光电测试技术去捕获雾化过程的细节，以便为某种或 综合的假说提供支持。
I
=
8πN ⋅ e4 E 2
M
ω2 4 0
λ4
(1 +
cos 2
ϕ)
(1)
其中：
E为作用于雾场的有效光波场；
λ为波长；
N为分子个数；
e为电量；
M为分子质量；
ω0为偶极子的固有频率。
从式(1)中可以看出，雷利散射光强与分子密度成正比，
与光波波长的4次方成反比，利用脉冲宽度为纳秒级的一定滤
长的激光瑞利散射图像，就可以测量雾场的瞬态密度分布[2]。
激光全息法可以不接触雾场而准确得到喷雾微滴场的三
维空间瞬态全息记录，通过全息图的再现不但可以得到微滴尺
寸及其在空间中的位置，采用双脉冲激光器通过两次曝光法还 可以得到喷雾微滴的运动速度[3]，从而可以得到整个喷雾场的
平均滴径特性、场分布及密度、速度分布等很多重要信息及变
化规律，且具有放大率高、图像失真率低和分辨率高等特点。
相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测 量运动粒子的相关特性。在 PDPA 中，依靠运动微粒的散射光 与照射光之间的频差来获得速度信息，这与激光多普勒测速仪 LDV 的测速原理相同；通过分析穿越激光测量体的球形粒子 反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。
PDPA 测量粒子直径的原理如图 4 所示。在喷雾场附近放 置多个探测器，每个探测器接收相同的多普勒频差Ψ，而每个 探测器之间存在相位差Φ，这个相位差正比于粒子的直径 dp。 通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产 生的相位差Φ就可以得到粒径的信息。
米氏散射法是基于米氏散射理论及Fraunhofer衍射原理的 方法，其测量系统如图1所示。用准直的平行光通过被测雾场 时将产生光的前方散射，傅立叶变换透镜的频谱面上的光强分 布则是喷雾微滴运动衍射图样光强的叠加。不同直径的微滴形 成的衍射光强分布不同，这样根据同心环形光电探测器接受的 电脉冲大小和个数可计算出喷雾场中微滴的尺寸及数密度分 布。
激光全息法经过多年的发展完善已取得很多成果，但仍存 在一定的局限性[4]，主要有：(1)对被测雾场景深有一定的限制。
微滴只有在1~100倍远场距离内才能得到质量较好的全息图，
太小则不满足Fraunhofer远场条件，太大则因衍射光强太弱而
使成像质量下降；(2)对被测雾场的密度有一定的限制。对同
图 1 米氏散射法测量系统 Fig.1 Measuring system of Mie scattering method
4 粒 子 图 像 测 速 技 术 PIV(Particle Image Velocimetry)
粒子图像测速技术是近年发展起来的一种崭新的流速测 量技术，它融计算机图像处理与光学技术为一体，是一种在流 场中同时多点(如数千点)测量流体或粒子速度矢量的光学图 象技术。
在PIV技术中，速度向量是通过测量粒子在两个激光脉冲 之间的运动获得的，相机透镜使研究区域在相机传感器上成 像，这样相机可以获得每一个激光脉冲的图像。将相机记录下 来的两个激光脉冲的图像分成小的区域，笔者把这些小的区域 称为未知区域。如图3所示，两个图像里的未知区域I1和I2是 彼此互相关的。这种相关产生了一个信号峰值，从而识别出了 粒子位移∆X，∆Y，获得了粒子精确的位移也就获得了粒子的 速度。经过重复的互相关计算，可以获得整个区域的速度向量 图。
近年来，数字全息测量理论被应用到激光全息法中，激光 数字全息技术用激光照射被测颗粒场，用CCD记录颗粒的全 息干涉图像，然后通过数学重建方法再现被测颗粒场图像[5]。 与传统的光学全息技术相比，避免了繁复费时的光学重现过
[收稿日期] 2010-10-15
[基金项目] 国家 973 重点攻关计划
[作者简介] 刘玉强(1986-)，男，山东潍坊人，在读硕士研究生，主要研究方向为喷嘴喷雾特性研究。
PIV技术综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，既 具有高的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和 瞬态图像。它的最大贡献是突破了单点测量的局限性，它可在 同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速 度、脉动速度和应变率。但它依靠在喷雾中加入示踪粒子，其
Z
Y
图 4 PDPA 测量粒子直径原理 Fig.4 Principle diagram of diameter measuring by PDPA
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程，有利于现场化和实时化。
3 激光多普勒测速技术LDV(Laser Doppler
Velocimetry)
激光测速的原理是光束照射到跟随流体运动的微粒上时
就被散射，散射光的频率与照射光之间产生一正比于微粒运动
Fig.6 The influence to the seepage distribution in different position to the tank bottom edge board
3.4 研究不同油品对渗流场的影响
虽然相位多普勒离子分析仪(PDPA)与激光多普勒测速法 (LDV)一样都是点测量，但它将点的数据构建成二维的可视图 像，清楚地显示了大直径颗粒和形成混合气的小直径颗粒的不 同形态。该方法测量的参数范围广泛，可以实现空间单点颗粒 的速度和粒径的同时测量，但无法实现三维空间瞬态测量。
6 其他测试技术
除上述介绍的测量方法外，还有适用于显示油束内部结构 的激光层析摄影法[6](Laser Computed Tomography Method)，根 据粒子流散射光强度变化测量粒子平均直径的散射光能谱法 [7]，可以对三维瞬态密集型喷雾进行检测的同步辐射X射线技 术[8-9]，另外，随着研究的深入，也出现了将多种测试原理合 在一起运用的测试技术[10]。
轴和离轴全息记录来说，要求无散射透过雾场的光能量不得小 于入射光能的80 %和50 %，否则将得不到良好的记录效果， 这样激光全息法就不适合测量数密度过大的雾场。
米氏散射法的衍射模型是球形粒子，因此受液滴形状和分 布规律影响较大，且只能获得测量区域内的平均值，空间分辨 率低。但该技术己有商业化的产品，如马尔文粒度仪，使用方 便，缺点是采样时间较长，只适用于稳态喷雾的测量。
X
图 2 LDV 测速原理
Fig.2 Principle diagram of velocity measuring by LDV
激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的 精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度呈线性关系， 与该点的温度，压力无关，是目前世界上速度测量精度最高的 仪器，但是LDV技术是单点测量技术，不能实现对整个喷雾 场的瞬态测量。另外，由于速度低时频移太小，此方法不适于 低速度的测量。
分析(诸如快速傅立叶变换)确定多普勒频率。干涉条纹的距离
d 提供了粒子运动距离的信息；多普勒频率提供了时间信息 t；
由于速度等于距离除以时间，即距离乘以频率，从而可以获得
粒子的速度信息 V。
不可避免地会影响喷雾的特性，不能真正得到实际喷雾的情 况。
第一次曝光的图像 第二次曝光的图像 双曝光的图像 ∆ t 后，粒子第二个的像
瑞利散射法在测量喷雾蒸发过程及温度分布时较为适合，
但由于散射光强信号弱，只能应用于雾场密度变化较大的场
合。
2 激光全息技术
激光全息技术是采用相干性能极好、能量非常集中的激光 作照明光源，利用波长相同的两束激光叠加时的干涉现象，把 被照物的全部光波信息，以干涉条纹的形式记录在感光底板 上，然后再用同样波长的激光束去照射记录有干涉条纹的全息 底片，就会逼真地再现出所拍照物体的三维形象。
参考文献
[1]贺文智，陈宇峰．液体雾化机理的研究进展[J]．内蒙古石油化工，1996，
22(3)：13-16．
[2]Haumann J ， Leipertz A ． Flame-temperature measurements using the
Rayleigh scattering photon-correlation technique[J]．Optics letters，1984，
d
=
λ
2 sin (α
/
2)
当流体流过探测体时，流动速度信息来自于流体中所带的 微小“播种”粒子的散射光。散射光中包含了一个多普勒频移， 它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例：
fD
=V d
=
2 V
λ0
sin(α
/ 2)
光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉
冲。多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率
9(11)：487-489．
(下转第 257 页)
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(a)离罐底边缘板 10.5 m 的位置渗漏
(b)离罐底边缘板 5 m 的位置渗漏
图 6 离罐底边缘板不同位置时对渗流场的影响
(c)离罐底边缘板 0.5 m 的位置渗漏
[文献标识码]A
Biblioteka Baidu
[文章编号]1007-1865(2010)11-0253-02
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The Measurements of Spray Characteristics
Liu Yuqiang (Rearch Institute of Petroleum Processing, Beijing 100083, China)
Keywords: spray characteristic；measurement
对液态工质的雾化原理的研究始于 20 世纪 30 年代，它是
瑞利散射法是以一种基于流场本身分子的光学测量方法
人们为了改进和完善雾化技术而开展的，然而其研究往往滞后 于雾化技术的应用。迄今为止，已经提出了多种关于雾化机理
速度的频率偏移(称多普勒频移)，只要测出这个频率偏移，就
可得到微粒的运动速度。LDV测速的原理示意图如图2所示，
将激光分成两束，并聚集到包括平面波前的按高斯光强分布的
一个有限衍射区，由于激光的相干性，这两束光在聚焦区会发
生干涉，形成彼此距离很小的干涉条纹，干涉条纹的距离是由
激光的波长和两光束的角度决定的：
随着激光、微电子、高速摄像技术及计算机技术的飞速发 展和广泛应用，喷雾特性的测试方法从先前的二维光学测量发 展到了当前能反映喷雾场三维时空动态的激光测试技术阶段。
1 激光散射技术
激光散射方法包括米氏散射法(Mile Scatering Method)和 瑞利散射法(Raylaigh Scattering Method)两种。
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喷嘴喷雾特性检测技术
刘玉强
(北京石油化工科学研究院，北京 100083)
[摘 要]介绍了用于喷雾特性检测的几种现代激光检测技术，总结了各种技术的原理及优缺点。
[关键词]喷雾特性；检测技术
[中图分类号]O65
粒子第一个的像 ∆X
U = lim ∆X ∆t→0 ∆t
∆Y V = lim ∆Y ∆t→0 ∆t
图 3 粒子图像测速技术原理 Fig.3 Principle diagram of Particle Image Velocimetry
5 相 位 多 普 勒 粒 子 分 析 仪 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)