航空煤油霧化特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、液體燃料噴霧是發(fā)動(dòng)機(jī)兩相燃燒的基礎(chǔ),噴霧的宏觀(guān)特征(如貫穿長(zhǎng)度、噴霧錐角、噴霧投影面積、環(huán)境氣體卷吸量及噴霧擴(kuò)散速度等)與微觀(guān)特征(如液滴顆粒直徑、液滴顆粒直徑分布和液滴顆粒速度等),對(duì)于燃燒室內(nèi)的質(zhì)量、組分的分布、溫度場(chǎng)分布、碳煙等有害組分的生成有著直接的影響。航空煤油在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也可作為活塞式直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,或作為替代燃料用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中。作為一種液體燃料,航空煤油在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒要經(jīng)歷管道內(nèi)部流動(dòng)、初級(jí)破

2、碎與次級(jí)破碎,破碎為細(xì)小液滴顆粒與環(huán)境氣體混合后進(jìn)而發(fā)生燃燒,因此,航空煤油噴霧過(guò)程是研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、液體火箭推力燃燒室以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室兩相燃燒的基礎(chǔ),具有重要的應(yīng)用前景和理論意義。
　　本文的主要工作如下:
　　(1)搭建了采用高速紋影法拍攝航空煤油噴霧過(guò)程的實(shí)驗(yàn)臺(tái):該實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含了高壓共軌系統(tǒng)、高速攝影儀、紋影光路、背壓生成器、高壓定容彈,以及輔助測(cè)量設(shè)備。此外,為研究環(huán)境溫度對(duì)于航空煤油噴霧的影響,高壓定容彈內(nèi)部還

3、安裝了絕熱層與加熱電阻絲,用于調(diào)節(jié)定容彈內(nèi)部的環(huán)境溫度。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用高速攝影儀連續(xù)拍攝噴霧過(guò)程,所記錄的實(shí)驗(yàn)圖像可作為進(jìn)一步分析的依據(jù)。
　　(2)完成了航空煤油噴霧實(shí)驗(yàn)原始圖像的宏觀(guān)特征值檢測(cè)算法及計(jì)算程序:常溫環(huán)境下獲得的實(shí)驗(yàn)圖像不包含隨時(shí)間變化的背景噪聲,在高溫環(huán)境中獲得的實(shí)驗(yàn)圖像則包含了大量隨時(shí)間變化的背景噪聲,分別采用BEG(Background-Edge detection-Gray tolerent)和BEGU(Ba

4、ckground-Edge detection-Gray tolerent-Union)算法來(lái)生成臨時(shí)圖像,用于檢測(cè)航空煤油噴霧的宏觀(guān)特征。前者的基本思路為采用與SOI(Start of Injection)之前的背景圖像與SOI之后包含噴霧圖像的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行逐點(diǎn)灰度對(duì)比,通過(guò)灰度值之間的比較消除掉灰度值未發(fā)生變化的像素,從而獲得僅包含噴霧圖像(灰度值小于255)和白色背景(灰度值為255)的臨時(shí)圖像;后者則在BEG算法基礎(chǔ)上,增加了名

5、為聚合(Union)的步驟,消除圖片上的背景噪聲,從而得到僅包含噴霧圖像(灰度值小于255)和白色背景(灰度值為255)的臨時(shí)圖像。在臨時(shí)圖像基礎(chǔ)上,根據(jù)各種宏觀(guān)特征的定義,采用相應(yīng)的檢測(cè)算法計(jì)算宏觀(guān)特征(如貫穿長(zhǎng)度、噴霧投影面積、三種不同定義的霧化錐角、噴霧擴(kuò)散速度等)。在以上算法的基礎(chǔ)上,使用Pascal語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了兩版核心算法,分別檢測(cè)常溫環(huán)境下的紋影實(shí)驗(yàn)圖像和不同環(huán)境溫度環(huán)境下的紋影實(shí)驗(yàn)圖像中的宏觀(guān)特征,開(kāi)發(fā)了名為“Schlier

6、en紋影高速攝影實(shí)驗(yàn)圖像處理”的計(jì)算程序,該程序可根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像計(jì)算出貫穿長(zhǎng)度、噴霧投影面積、三種不同定義的霧化錐角、噴霧擴(kuò)散速度等宏觀(guān)特征。本實(shí)驗(yàn)中所有實(shí)驗(yàn)圖像均采用此程序來(lái)處理和分析。
　　(3)完成了常溫(300K)環(huán)境下航空煤油噴霧的實(shí)驗(yàn):在常溫環(huán)境下進(jìn)行了航空煤油噴霧霧化實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中航空煤油和環(huán)境氣體保持常溫,背壓從1.4MPa到5.6MPa可調(diào),啟噴壓力分別為70MPa、80MPa、90MPa和100MPa。對(duì)80

7、個(gè)不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,其中有5個(gè)工況進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為測(cè)量貫穿長(zhǎng)度的可重復(fù)度,對(duì)每個(gè)工況分別重復(fù)了10次。分析發(fā)現(xiàn),在常溫環(huán)境下,在噴霧開(kāi)始0.2ms之后,航空煤油噴霧貫穿長(zhǎng)度的可重復(fù)度為±7％。在廣安博之模型基礎(chǔ)上,建立了適用于航空煤油的貫穿長(zhǎng)度修正模型,并由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)該修正模型的預(yù)測(cè)精度較廣安博之模型和Dent模型高。此外,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了噴霧投影面積、霧化錐角、噴霧擴(kuò)散速度和空氣卷吸量等宏觀(guān)特性參數(shù)。
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8、)進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下航空煤油噴霧實(shí)驗(yàn):航空煤油的溫度為285K/300K,環(huán)境溫度為300K,343K和423K,啟噴壓力為70MPa,背壓從1.4MPa到4.8MPa可調(diào)。對(duì)30個(gè)工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)其中5個(gè)工況進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為測(cè)量高溫環(huán)境中貫穿長(zhǎng)度的可重復(fù)度,每個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了10-20次實(shí)驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn),與常溫環(huán)境中的航空煤油噴霧實(shí)驗(yàn)相比,高溫環(huán)境中航空煤油噴霧實(shí)驗(yàn)貫穿長(zhǎng)度的可重復(fù)度下降,在0.5ms之后達(dá)到±10％。在D