激光相位多普勒粒子测速仪在喷雾雾化特性试验中的应用

激光相位多普勒粒子测速仪在喷雾雾化特性试验中的应用

0激光喷雾测量广泛应用于农业工程领域。根据使用要求，有几种类型的喷雾。总体上,雾化质量是由雾滴群的平均尺寸、尺寸分布、喷雾雾化角以及流量密度分布等特征参数来表征的,其主要指标有雾滴的粒径、速度及其分布、雾化角、雾化粒度等。传统的机械测量雾滴粒径的方法无法获得三维喷雾场的结构信息。在雾滴的激光测量技术中,马尔文粒度仪、粒子图像测速仪(PIV)及激光多普勒测速仪(LDA)被广泛地运用于喷雾研究。但前者只能测量雾滴的空间平均粒径分布,却不能测量速度分布,后两者正好相反。而近10年发展起来的相位多普勒粒子分析仪(PDPA)已成为测量喷雾粒子及其他球形粒子大小和速度特性公认的标准工具。PDPA完全克服了以上各种方法的缺陷,为研究喷雾的动态过程提供了良好的测试手段。多年来,Thompson、Miller、Smith等人先后建立了雾滴空间运动轨迹模型以预测喷嘴雾化特性,但因受到试验手段的制约各种模型均有缺陷,更细致的研究工作必然依赖于对雾滴运动参数的实时精确测量。为此,本文介绍了利用PDPA技术测量喷雾雾滴速度、粒径、雾化角及雾滴数的原理,并运用该系统对不同喷嘴压力条件下的喷雾场进行了测试,以进一步阐明PDPA技术在喷雾试验研究中的特性与优势。1pdpa介绍1.1软件系统组成本文所采用的PDPA测试系统由丹麦Dantec公司生产,该系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件包括激光器、光学系统、三维坐标架、信号处理器,其中光学系统包括发射单元和接收单元;软件是数据处理系统BSA。PDPA系统的基本结构如图1所示。1.2测量原理(1)速度的获得与检测与LDV测速原理相同,即利用接收到的运动粒子的散射光的多普勒频移获得粒子的速度信息。多普勒频移与粒子移动速度之间的关系式为:v=fδ(1)δ=λ2sinγ/2(2)v=fδ(1)δ=λ2sinγ/2(2)式中:f为多普勒频移;λ为入射光的波长;γ为光束入射角。(2)检测条件i利用不同探测器接收到的散射光的相位变化求得粒子的粒径信息,用计算式表示为:Φi=αβi(3)α=πn1λD(4)Φi=αβi(3)α=πn1λD(4)式中:Φi为探测器接收到的一个多普勒脉冲的相位;βi为几何因子,由散射模型及光路设置参数而定;n1表示散射介质的折射率;λ是激光在真空中的波长;D为粒径。(3)雾化角的确定由于从喷嘴喷射出的雾化角及雾化形状受外界因素的影响较大,如喷射压力和风速等。因此,喷雾图像不是很规则,边缘往往不是直线,因而对喷雾角的计算国家尚无统一的标准。现有雾化角的确定方法有以下几种:出口雾化角、条件雾化角、根据射流边界有明显直线部分测定雾化角。按照条件雾化角的定义,利用PDPA可方便地测定各种条件下的喷雾雾化角,其中喷雾边界可采用在取样时间内采集到的某一数值的样本数为标准加以确定。(4)主要表adi除了可以测量雾滴尺寸和速度外,PDPA还可以用来测量雾滴数分布。其表达式如下:N=1T∑i∑jtij(di)Ωi(di)(5)Ωi(di)=Ai(di)Wi(d)i(6)Ai(di)=π4[rm(di)]2(7)Ν=1Τ∑i∑jtij(di)Ωi(di)(5)Ωi(di)=Ai(di)Wi(d)i(6)Ai(di)=π4[rm(di)]2(7)式中:N为雾滴数密度;T为所有雾滴渡越测量体的总时间;tij(di)为粒径为di的雾滴渡越测量体的时间;Ωi(di)为粒径为di的雾滴穿过测量体的体积;Ai(di)为测量体在与粒径为di的雾滴的速度方向垂直的平面上的投影面积;Wi(di)为粒径为di的雾滴穿越测量体的长度;rm(di)为有效测量体半径。1.3频率加重引起的误差PDPA测量系统本身存在一定的测量误差。在测量中得到的多普勒频率不是一个单一的频率,而是具有一个宽度,即多普勒频率谱线加宽。这种加宽现象将引起测量误差。产生加宽的原因很多,如散射微粒在测量体中的有限渡越时间、被测速度场中的速度梯度及微粒的布朗运动等。频率加宽引起的误差可以通过与被测流场相匹配的系统参数设置来抑制。在数据处理时,同时采用锁相位平均法对大量数据进行了处理。考虑上述各项误差,运用PDPA进行喷雾试验时,测速精度可达0.2%,粒径测量精度为0.5%,雾滴数及雾化角测量精度为1%。2pd-p测试的应用示例2.1长焦距光栅接收系统为体现PDPA测试系统在测量上述喷雾参数方面的性能优势,本文设计了如图2所示的测试装置。其中喷嘴选择普通的旋流压力雾化喷嘴,孔口直径为0.8mm。采用二维测量,发射光路系统分别为Uy、Uz,并且对应波长为488nm、514.5nm。鉴于装置实际布置状况,为方便测量采用后向接收模式,接收角度为30°;同时,为防止雾滴漂移至2个探头表面,采用长焦距透镜,即发射透镜焦距为1000mm,接收透镜焦距为500mm。本文采用以下方案进行测试:环境温度25℃,相对湿度68%,试验介质为水,喷嘴压力为0.3MPa、0.4MPa,对应流量分别为688mL/min、746mL/min。所设定的坐标系统为:沿喷雾场中心线方向为纵向(z轴),沿发射探头方向为横向(y轴),纵横向垂直相交且交点在横向上的坐标为零,在横向上逐点扫描所形成的5条测量线间隔为100mm,第1条测量线与喷嘴的纵向距离为50mm。2.2测试结果(1)喷雾边界的测定表1给出了2种喷嘴压力条件下,喷雾场雾化角度的变化。所选取的计算基准是与喷嘴距离为450mm的测量线,确定喷雾边界的标准为:在30s取样时间内采集到的样本数低于30个为喷雾场的外边界。由表1可知,喷嘴压力增加导致雾化角加大,喷雾面积也随之扩大。利用PDPA测试系统,采用条件雾化角的测量概念,可以直接测定喷雾雾化角。(2)压力、粒径及分布分布对喷雾运动结构的影响图3示出不同喷嘴压力条件下雾滴速度及以体积中径表示的粒径分布。图3中速度和粒径的标尺均为该工况下喷雾场中2种参数的平均值。由图3可知,随压力的加大,雾滴平均粒径值大为减小而速度值有所增加,且2种参数分布的均匀性和对称性也得到较大改善。这是由于在高压下,液体从喷嘴喷出时,较高的内外压力差及与空气较强的撞击力,使其易于破裂雾化成较细雾滴;同时,雾滴在空间运动时所具有的能量均与其粒径相联系,粒径分布的均匀性又促使其速度分布趋于均匀。结合分布状况可知,喷嘴压力增加后雾化性能大为提高。图3测试结果体现了PDPA测试系统在喷雾试验研究中所具有的较大优势。对于雾滴速度、粒径及其分布这些衡量雾化质量的指标,能同时精确测量。因此,运用该系统可方便地分析、考察不同测试条件下喷雾场的主要运动结构状况。(3)雾滴数分布。图4为不同喷嘴压力条件下喷雾雾滴数的三维等值线图。可见,在不同测量线上,雾滴数目最多的部位一般处于喷雾中心与喷雾边缘的中间,表明在这些位置,卷吸进入喷雾场的空气与雾液之间动量交换剧烈,雾滴发生分裂的几率远大于发生非弹性碰撞、聚合的几率,因而被迅速破碎成数量众多的小雾滴;同时,压力增加后雾滴数明显增多,在较高压力下破碎机制的强化是雾滴数增加的主要原因。喷雾场中,雾滴数的分布状态在很大程度上决定了雾化质量,PDPA测试结果直观、明了,可为相关器械设计及性能预测提供参考。3雾化数学模型的建立与其他非接触式测试仪器相比,PDPA测试系统在喷嘴喷雾试验研究中具有较大的优势,它能完整地反映包括雾滴速度、粒径及其分布、雾化角、粒子数在内的喷雾场的各种重要信息。这些信息的获得不仅为认识雾滴的空间运动结构提供帮助,也为建立喷嘴雾化数学模型及相关器械设计提供理论依据。(1)对于雾滴速度、粒径及其分布这些衡量雾化质量的指标,PDPA测试