激光衍射散射技术在超声波喷嘴雾化特性测量中的应用

　　1　引　言

　　燃油喷嘴喷射后的雾化特性直接影响到其燃烧效果。如果雾化效果不好,会有着火困难、火焰稳定性差、火焰温度较低、燃烧不易完全等问题。评价喷嘴设计质量的一个关键指标就是喷嘴雾化性能的好坏。为了设计出高性能喷嘴,就必须进行喷嘴雾化特性测量。

　　喷嘴雾化颗粒粒径的大小与分布是喷嘴雾化性能参数中最为重要的参数之一。对于喷嘴雾化粒径的测量,最初都是采用先取样再借助显微照相或强光源作 直接拍照的方法。由于这种方法测量繁琐,计数工作量大,因此从70年代末80年代初开始被逐渐发展起来的、以光散射理论为基础的光学测量法所取代。早在 1978年RayLeigh进行了液体射流破碎的研究工作。其后Weber.Jyler对其研究成果进行了扩展和改进,他们考虑了液体黏性的影响。近年来 对喷嘴雾化日趋成熟,Ja-YeKoo和Jay K.Martin[1]对瞬态柴油喷雾的粒径分布和速度场进行了研究。S.V.Sankar和A.Brena de la Rosa[2]研究了喷注压力液体流速,气液的相对速度和缩进空穴对同轴式火箭喷嘴的液体雾化的影响。国内,周猛[3]用Malvern粒度仪研究了旋流 式喷嘴的雾化场。目前采用激光作为光源的光学法已成为颗粒测量的主要手段。英国Malvern公司生产的Malvern粒度就是一种通用的实验室测量仪 器,但其价格昂贵,测量区域固定,在环境比较恶劣的喷嘴雾化现场使用有一定的局限性。本文介绍了一种适用于喷嘴雾化实验要求的激光衍射散射测粒装置。并在 数据处理中引入了分布函数,从而实现了无干扰、快速、在线测量雾化液滴粒径大小及分布。

　　2　测量装置和原理

　　实验装置简图见图1:

　　激光测量法的基本原理是,一束光穿过一颗粒系(稀相)由于受到颗粒的散射和吸收,其散射光与颗粒的大小及浓度相关,根据所测的散射光强度,求得颗粒系的粒径大小及分布。

　　激光理论基础是米氏理论,米氏理论是对于均匀介质中的各项同性的单个介质球在单色平行光照射下的麦克斯韦方程边界条件的严格数学解。当完全偏振光照射到一球形颗粒上时,如图所示。

　　对球形颗粒,振幅函数S1(θ)和S2(θ)Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数,其表达式为:

　　其中称为Mie系数,是m和α的函数,而πl和τl与散射角θ有关,分别由下列表达式表示:

　　其中,Ψ1(z)和ζ1(z)为半整数阶Bessel函数和第二类Hankel函数的函数(z可以是α或mα),其中Pl(cosθ)和Pl(1)(cosθ)是关于cosθ的Legendre和一阶缔合Legendre函数。

　　Mie理论是一切均质球形颗粒的一般散射规律。当散射颗粒粒径的线度远大于激光波长时,Fraunhofer衍射理论解给出与Mie理论相近似的结果,此时的散射称衍射散射。