一種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定容燃燒裝置領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，燃料的霧化過程直接影響著燃燒和排放性能，進(jìn)而為緩解能源和環(huán)境問題做出貢獻(xiàn)。因此對(duì)于內(nèi)燃機(jī)研究者而言，獲得燃料的噴霧特性(射流破碎長度，噴霧錐角，油滴粒徑與速度等)及其與周圍環(huán)境參數(shù)(壓力，溫度，環(huán)境氣體種類及密度等)的關(guān)系，進(jìn)而建立燃料霧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，最終為發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧模擬以及優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是開展噴油霧化研究的主要目的。
[0003]在實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)中，對(duì)噴霧的試驗(yàn)研究很難進(jìn)行，這是因?yàn)閷?duì)噴霧條件參數(shù)的控制和調(diào)整很難做到十分精確，而且受現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器的限制，對(duì)噴霧形態(tài)及其微觀特性進(jìn)行精確測(cè)量十分困難。因此常用的噴霧實(shí)驗(yàn)研究方法之一就是定容燃燒彈法。
[0004]現(xiàn)有部分噴霧特性測(cè)量系統(tǒng)及方法只能在開放空間下對(duì)噴霧宏觀或微觀特性進(jìn)行測(cè)量，或者只能在定容燃燒裝置中測(cè)量噴霧的宏觀形貌，無法與先進(jìn)光學(xué)測(cè)量?jī)x器配合，對(duì)其微觀特性(包括噴霧粒子的粒徑分布信息和速度分布信息)進(jìn)行測(cè)量，更不能實(shí)現(xiàn)定容燃燒裝置中噴霧宏觀形貌和微觀特性的同步測(cè)量。因此，此類系統(tǒng)及方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足試驗(yàn)的要求。這種局限性嚴(yán)重的阻礙了對(duì)燃料的破碎霧化深度的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)及方法，該測(cè)量系統(tǒng)能夠與相位多普勒粒子分析儀(PDA)和高速攝影機(jī)等多種現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量?jī)x器配合使用，通過使用該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在定容燃燒裝置中同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的目的。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)，包括定容燃燒裝置、帶有控制器的燃料供給系統(tǒng)、LED燈、高速攝影機(jī)、數(shù)字延時(shí)發(fā)生器和相位多普勒粒子分析儀，所述定容燃燒裝置由箱體和燃燒彈體構(gòu)成，所述箱體和燃燒彈體之間填充有用于保溫的石棉，所述燃燒彈體設(shè)置有四個(gè)形狀為通孔的觀察孔，所述觀察孔的軸線均在同一水平面，其中兩個(gè)觀察孔的軸線之間的角度為180°，另外兩個(gè)觀察孔的軸線之間的夾角為160°，所述觀察孔上安裝有光學(xué)觀察窗口，所述定容燃燒裝置的中部正上方設(shè)置有與所述燃料供給系統(tǒng)相連通的連接孔，所述控制器與所述數(shù)字延時(shí)發(fā)生器相連接，數(shù)字延時(shí)發(fā)生器分別與所述相位多普勒粒子分析儀和所述高速攝影機(jī)相連接。
[0008]所述光學(xué)觀察窗口由端口法蘭、光學(xué)玻璃和玻璃壓蓋構(gòu)成。所述端口法蘭通過內(nèi)六角螺栓安裝于觀察孔，光學(xué)玻璃安放在端口法蘭上，玻璃壓蓋壓緊光學(xué)玻璃后通過內(nèi)六角螺栓與端口法蘭相連接。
[0009]所述箱體由上箱體、下箱體和箱蓋構(gòu)成。
[0010]一種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)的測(cè)量方法，步驟如下:
[0011](I)安置定容燃燒裝置，將相位多普勒粒子分析儀的發(fā)射探頭和接收探頭分別與第三光學(xué)觀察窗口和第四光學(xué)觀察窗口相對(duì)應(yīng)；
[0012](2)將LED燈放置在第一光學(xué)觀察窗口對(duì)應(yīng)的方位，將高速攝影機(jī)放置在第二光學(xué)觀察窗口對(duì)應(yīng)的方位，調(diào)整高速攝影機(jī)位置和焦距使燃料噴射入燃燒彈體中時(shí)可拍攝出清晰的噴霧宏觀形貌圖；
[0013 ] (3)設(shè)置數(shù)字延時(shí)發(fā)生器參數(shù)，包括觸發(fā)信號(hào)的初始時(shí)刻、延時(shí)時(shí)刻和脈寬長度；
[0014](4)設(shè)置相位多普勒粒子分析儀參數(shù)，包括觸發(fā)模式和測(cè)量周期模式；
[0015](5)打開相位多普勒粒子分析儀的激光器，標(biāo)定激光中心的原點(diǎn)后將激光中心移至測(cè)量點(diǎn)；
[0016](6)通過控制器控制燃料供給系統(tǒng)向定容燃燒裝置內(nèi)進(jìn)行燃料噴射，數(shù)字延時(shí)發(fā)生器接收到噴射開啟信號(hào)后進(jìn)行延時(shí)處理并輸出觸發(fā)信號(hào)，相位多普勒粒子分析儀接收到數(shù)字延時(shí)發(fā)生器輸出的觸發(fā)信號(hào)后開始對(duì)定容燃燒裝置內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的噴霧粒子進(jìn)行測(cè)量，獲得該測(cè)量點(diǎn)噴霧粒子的粒徑信息和速度信息，與此同時(shí)，高速攝影機(jī)同步拍攝噴霧宏觀形貌圖；該測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)束后將激光中心移至下一測(cè)量點(diǎn)，按照上述方法進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量和拍攝;最終得到定容燃燒裝置中噴霧的宏觀形貌圖和微觀特性，所述微觀特性包括噴霧粒子的粒徑分布信息和速度分布信息。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是:
[0018](— )本發(fā)明定容燃燒裝置內(nèi)的燃燒彈體設(shè)置有四個(gè)形狀為通孔的觀察孔，觀察孔的軸線均在同一水平面，其中兩個(gè)觀察孔的軸線之間的角度為180°，另外兩個(gè)觀察孔的軸線之間的夾角為160°，觀察孔上安裝有光學(xué)觀察窗口；改變了定容燃燒彈體中傳統(tǒng)觀察窗口的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其能夠與多種現(xiàn)代先進(jìn)光學(xué)測(cè)量?jī)x器配合使用，突破了在定容燃燒彈體內(nèi)運(yùn)用光學(xué)測(cè)量技術(shù)的局限性，可實(shí)現(xiàn)在定容燃燒裝置中對(duì)噴霧的微觀特性進(jìn)行測(cè)量，獲取噴霧粒子的速度分布信息和粒徑分布信息。此外，定容燃燒裝置可以精確控制各種熱力學(xué)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種燃料的噴射。
[0019](二)本發(fā)明通過數(shù)字延時(shí)發(fā)生器與相位多普勒粒子分析儀(PDA)及高速攝影機(jī)的配合，精確控制相位多普勒粒子分析儀(PDA)測(cè)量噴霧粒子的時(shí)刻和脈寬，精確控制高速攝影機(jī)拍攝噴霧形貌的時(shí)刻和脈寬，可實(shí)現(xiàn)噴霧粒子的實(shí)時(shí)測(cè)量和噴霧形貌的同步拍攝，可同步獲取同一束噴霧的宏觀形貌圖和該束噴霧破碎粒子的微觀信息，有效地提高了數(shù)據(jù)采集精度和實(shí)驗(yàn)效果。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是定容燃燒裝置中燃燒彈體的結(jié)構(gòu)示意圖
[0022]圖3是圖2的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4是上箱體的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5是下箱體的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6是箱蓋的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記:1-定容燃燒裝置2-燃料供給系統(tǒng)3-控制器4-數(shù)字延時(shí)發(fā)生器5-相位多普勒粒子分析儀6-發(fā)射探頭7-接收探頭8-LED燈9-高速攝影機(jī)10-第一光學(xué)觀察窗口 11-第二光學(xué)觀察窗口 12-第三光學(xué)觀察窗口 13-第四光學(xué)觀察窗口
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
[0028]如圖1和圖2所示，一種同步測(cè)量噴霧宏觀形貌和微觀特性的系統(tǒng)，包括定容燃燒裝置1、帶有控制器3的燃料供給系統(tǒng)2、數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4、相位多普勒粒子分析儀5(Η)Α)、LED燈8和高速攝影機(jī)9，相位多普勒粒子分析儀5 (PDA)上帶有發(fā)射探頭6和接收探頭7，定容燃燒裝置I包括安裝在箱體內(nèi)部的燃燒彈體，所述箱體和燃燒彈體之間填充有用于保溫的石棉，所述燃燒彈體設(shè)置有四個(gè)形狀為通孔的觀察孔，所述觀察孔的軸線均在同一水平面，其中兩個(gè)觀察孔的軸線之間的角度為180°，另外兩個(gè)觀察孔的軸線之間的夾角為160° ;所述觀察孔上安裝有光學(xué)觀察窗口，如圖3所示，第一光學(xué)觀察窗口 10和第三光學(xué)觀察窗口 12的軸線之間的角度為180°，第二光學(xué)觀察窗口 11和第四光學(xué)觀察窗口 13的軸線之間的角度為160°，所述光學(xué)觀察窗口由端口法蘭、光學(xué)玻璃和玻璃壓蓋構(gòu)成，端口法蘭通過內(nèi)六角螺栓安裝于觀察孔，光學(xué)玻璃安放在端口法蘭上，玻璃壓蓋壓緊光學(xué)玻璃后通過內(nèi)六角螺栓與端口法蘭相連接;定容燃燒裝置I中央正上方設(shè)置有燃料供給系統(tǒng)2，燃料通過燃料供給系統(tǒng)2噴射入定容燃燒裝置I中，控制器3用來控制燃料噴射的開啟時(shí)刻與關(guān)閉時(shí)刻;控制器3與數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4相連接，數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4的輸出端分別與相位多普勒粒子分析儀5(PDA)相連接和高速攝影機(jī)9相連接，數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4用來調(diào)節(jié)以控制器輸出的外部電信號(hào)為零點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間，并可以設(shè)定觸發(fā)信號(hào)的脈寬;高速攝影機(jī)9用來拍攝噴霧的宏觀形貌圖，相位多普勒粒子分析儀5(Η)Α)用來采集和處理噴霧粒子的微觀信息，包括破碎粒子的粒徑分布信息和速度分布信息。
[0029]箱體由上箱體、下箱體和箱蓋構(gòu)成；圖4、圖5和圖6分別為定容燃燒裝置中箱體的上箱體、下箱體和箱蓋的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]本發(fā)明中涉及的燃料供給系統(tǒng)2、數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4和相位多普勒粒子分析儀5(PDA)均可通過購買獲得，其中燃料供給系統(tǒng)2購自天津市東風(fēng)汽車維修服務(wù)站，品牌為Bosch;數(shù)字延時(shí)發(fā)生器4購自北京金先鋒光電科技有限公司，品牌型號(hào)為SRS-DG645 ；相位多普勒粒子分析儀5(PDA)購自麥迪技術(shù)有限公司北京代表處，原產(chǎn)商為丹麥丹迪動(dòng)態(tài)公司；高速攝影機(jī)9購自天津市捷昕科技有限公司，原產(chǎn)商為日本Photron公司，型號(hào)為FASTCAM