可变进气涡流系统气道入口流速的PIV测量

　　带涡流控制阀的双进气道系统是柴油机常用的进气涡流调节机构之一.研究表明:该系统可在发动机运行工况范围内大幅度调节涡流比,改善燃烧过程,并且易于实现电控,是4气门柴油机满足未来轿车排放法规所采取的有效技术措施之一[1].目前稳流气道试验法是用来评定气道的流通能力和形成涡流能力的主要方法[2].研究内燃机中微观流场的方法主要有热线风速仪法、激光多普勒测速法(LDA)、粒子图像速度法(PIV)等几种方法[3].其中粒子图像速度法是近几年发展起来的一种微观流场测量技术,它能测量非定常二维瞬时速度场,能确定宏观涡流的角动量,同时还具有非接触测量,动态响应快,空间分辨率和测量精度高等特点[4].利用二维数字式粒子图像速度场仪(DPIV)对稳流气道模型入口区域的流动状态进行整场瞬态测量,结合稳流气道试验测得的缸内涡流结果进行分析,可以加深对可变进气涡流系统的理解.

　　1　试验装置

　　所研究的进气道是北京理工大学发动机实验室针对132缸径柴油机自行设计的新型进气道,由一个螺旋进气道和一个直进气道组成.试验过程中通过调节直气道入口处的控制阀调节涡流比,采用美国TSI公司开发的PIV系统测量入口区域的速度场.试验台装置如图1所示.

　　1·1　稳流气道试验台

　　稳流气道试验装置如图1虚线内所示.试验时,在鼓风机抽吸作用下,空气由气道入口进入,产生旋转的气流推动风速计叶片转动,其转速由计数器显示.空气继而进入小稳压罐,经膨胀消除空气的旋转运动.空气的质量流量由孔板式流量计测量.大稳压罐的作用是减少整个试验系统的空气压力波动.经过进气道的空气量由流量调节阀控制,以确保试验过程中气道前后有恒定的压差.

　　1·2　成像系统[5-6]

成像系统包括脉冲激光器、同步器和片光源光学元件.激光器为New Wave Minilase 50-15E型双脉冲Nd∶YAG激光器,通过调节闪光灯频率或Q开关延迟时间可对激光器脉冲频率及单脉冲能量进行设置,脉冲持续时间为5~7 ns,光束直径为2·5 mm,工作方式为外部触发或由同步器控制.片光源光学元件包括柱面和球面透镜.其中柱面透镜使光束张开一定角度,球面透镜用于控制片光在被测区域内的厚度为1 mm左右.

　　1·3　图像记录与分析系统

　　用PIVCAM 10-30型自相关/互相关CCD相机捕捉图像.其分辨力为1 024×1 024,帧率可达30帧/s,单个像素尺寸为9μm×9μm,它将图像传送到计算机内的帧抓取器.帧抓取器将CCD相机送来的图像进行数字化,然后传给计算机进行处理.同步器与激光器、CCD相机、帧抓取器及计算机相连,使各部件协调运行,在控制与分析软件IN-SIGHT中进行部件选定与部件操作模式设定.该软件还可用于分析视频或照相图像,以获得二维速度场,可以实时显示获得的图像数据、在线显示速度矢量场,还可调节信噪比、查询网格尺寸、选择数据处理算法、自动调整查询区、对数据进行过滤和校验等.