喷嘴喷雾特性检测技术

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，
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
[文献标识码]A
[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)
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
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：
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。
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。
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。
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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
PIV技术综合了单点测量技术和显示测量技术的优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
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。
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。
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
9(11)：487-489．
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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
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。
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)
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。
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。
Abstract: Several modern measuring methods applied in spray characteristic experiments were introduced, the principles and the priorities, limitation of these measurements were also summarized.
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]。
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。