CN105628566A - 一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统及方法，系统包括定容燃烧装置、带有控制器的燃料供给系统、LED灯、高速摄影机、数字延时发生器和相位多普勒粒子分析仪，定容燃烧装置由箱体和燃烧弹体构成，燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°，观察孔上安装有光学观察窗口，定容燃烧装置与燃料供给系统相连通，控制器与所述数字延时发生器相连接，数字延时发生器分别与相位多普勒粒子分析仪和高速摄影机相连接。通过使用该测量系统的测量方法进而实现在定容燃烧装置中同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及定容燃烧装置领域，更具体的说，是涉及一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统及方法。
背景技术
在内燃机领域，燃料的雾化过程直接影响着燃烧和排放性能，进而为缓解能源和环境问题做出贡献。因此对于内燃机研究者而言，获得燃料的喷雾特性(射流破碎长度，喷雾锥角，油滴粒径与速度等)及其与周围环境参数(压力，温度，环境气体种类及密度等)的关系，进而建立燃料雾化反应动力学机理，最终为发动机喷雾模拟以及优化提供基础数据，是开展喷油雾化研究的主要目的。
在实际的内燃机中，对喷雾的试验研究很难进行，这是因为对喷雾条件参数的控制和调整很难做到十分精确，而且受现有测量仪器的限制，对喷雾形态及其微观特性进行精确测量十分困难。因此常用的喷雾实验研究方法之一就是定容燃烧弹法。
现有部分喷雾特性测量系统及方法只能在开放空间下对喷雾宏观或微观特性进行测量，或者只能在定容燃烧装置中测量喷雾的宏观形貌，无法与先进光学测量仪器配合，对其微观特性(包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息)进行测量，更不能实现定容燃烧装置中喷雾宏观形貌和微观特性的同步测量。因此，此类系统及方法远远无法满足试验的要求。这种局限性严重的阻碍了对燃料的破碎雾化深度的研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统及方法，该测量系统能够与相位多普勒粒子分析仪(PDA)和高速摄影机等多种现代光学测量仪器配合使用，通过使用该测量系统的测量方法进而实现在定容燃烧装置中同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，包括定容燃烧装置、带有控制器的燃料供给系统、LED灯、高速摄影机、数字延时发生器和相位多普勒粒子分析仪，所述定容燃烧装置由箱体和燃烧弹体构成，所述箱体和燃烧弹体之间填充有用于保温的石棉，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°，所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述定容燃烧装置的中部正上方设置有与所述燃料供给系统相连通的连接孔，所述控制器与所述数字延时发生器相连接，数字延时发生器分别与所述相位多普勒粒子分析仪和所述高速摄影机相连接。
所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成。所述端口法兰通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰上，玻璃压盖压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰相连接。
所述箱体由上箱体、下箱体和箱盖构成。
一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统的测量方法，步骤如下：
(1)安置定容燃烧装置，将相位多普勒粒子分析仪的发射探头和接收探头分别与第三光学观察窗口和第四光学观察窗口相对应；
(2)将LED灯放置在第一光学观察窗口对应的方位，将高速摄影机放置在第二光学观察窗口对应的方位，调整高速摄影机位置和焦距使燃料喷射入燃烧弹体中时可拍摄出清晰的喷雾宏观形貌图；
(3)设置数字延时发生器参数，包括触发信号的初始时刻、延时时刻和脉宽长度；
(4)设置相位多普勒粒子分析仪参数，包括触发模式和测量周期模式；
(5)打开相位多普勒粒子分析仪的激光器，标定激光中心的原点后将激光中心移至测量点；
(6)通过控制器控制燃料供给系统向定容燃烧装置内进行燃料喷射，数字延时发生器接收到喷射开启信号后进行延时处理并输出触发信号，相位多普勒粒子分析仪接收到数字延时发生器输出的触发信号后开始对定容燃烧装置内测量点的喷雾粒子进行测量，获得该测量点喷雾粒子的粒径信息和速度信息，与此同时，高速摄影机同步拍摄喷雾宏观形貌图；该测量点测量结束后将激光中心移至下一测量点，按照上述方法进行逐点测量和拍摄；最终得到定容燃烧装置中喷雾的宏观形貌图和微观特性，所述微观特性包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(一)本发明定容燃烧装置内的燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°，观察孔上安装有光学观察窗口；改变了定容燃烧弹体中传统观察窗口的结构布局设计，使其能够与多种现代先进光学测量仪器配合使用，突破了在定容燃烧弹体内运用光学测量技术的局限性，可实现在定容燃烧装置中对喷雾的微观特性进行测量，获取喷雾粒子的速度分布信息和粒径分布信息。此外，定容燃烧装置可以精确控制各种热力学参数，可以实现多种燃料的喷射。
(二)本发明通过数字延时发生器与相位多普勒粒子分析仪(PDA)及高速摄影机的配合，精确控制相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量喷雾粒子的时刻和脉宽，精确控制高速摄影机拍摄喷雾形貌的时刻和脉宽，可实现喷雾粒子的实时测量和喷雾形貌的同步拍摄，可同步获取同一束喷雾的宏观形貌图和该束喷雾破碎粒子的微观信息，有效地提高了数据采集精度和实验效果。
附图说明
图1是本发明同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统的结构示意图。
图2是定容燃烧装置中燃烧弹体的结构示意图
图3是图2的剖视结构示意图。
图4是上箱体的三维结构示意图。
图5是下箱体的三维结构示意图。
图6是箱盖的三维结构示意图。
附图标记：1-定容燃烧装置2-燃料供给系统3-控制器4-数字延时发生器5-相位多普勒粒子分析仪6-发射探头7-接收探头8-LED灯9-高速摄影机10-第一光学观察窗口11-第二光学观察窗口12-第三光学观察窗口13-第四光学观察窗口
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1和图2所示，一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，包括定容燃烧装置1、带有控制器3的燃料供给系统2、数字延时发生器4、相位多普勒粒子分析仪5(PDA)、LED灯8和高速摄影机9，相位多普勒粒子分析仪5(PDA)上带有发射探头6和接收探头7，定容燃烧装置1包括安装在箱体内部的燃烧弹体，所述箱体和燃烧弹体之间填充有用于保温的石棉，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°；所述观察孔上安装有光学观察窗口，如图3所示，第一光学观察窗口10和第三光学观察窗口12的轴线之间的角度为180°，第二光学观察窗口11和第四光学观察窗口13的轴线之间的角度为160°，所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成，端口法兰通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰上，玻璃压盖压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰相连接；定容燃烧装置1中央正上方设置有燃料供给系统2，燃料通过燃料供给系统2喷射入定容燃烧装置1中，控制器3用来控制燃料喷射的开启时刻与关闭时刻；控制器3与数字延时发生器4相连接，数字延时发生器4的输出端分别与相位多普勒粒子分析仪5(PDA)相连接和高速摄影机9相连接，数字延时发生器4用来调节以控制器输出的外部电信号为零点的延时时间，并可以设定触发信号的脉宽；高速摄影机9用来拍摄喷雾的宏观形貌图，相位多普勒粒子分析仪5(PDA)用来采集和处理喷雾粒子的微观信息，包括破碎粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
箱体由上箱体、下箱体和箱盖构成；图4、图5和图6分别为定容燃烧装置中箱体的上箱体、下箱体和箱盖的三维结构示意图。
本发明中涉及的燃料供给系统2、数字延时发生器4和相位多普勒粒子分析仪5(PDA)均可通过购买获得，其中燃料供给系统2购自天津市东风汽车维修服务站，品牌为Bosch；数字延时发生器4购自北京金先锋光电科技有限公司，品牌型号为SRS-DG645；相位多普勒粒子分析仪5(PDA)购自麦迪技术有限公司北京代表处，原产商为丹麦丹迪动态公司；高速摄影机9购自天津市捷昕科技有限公司，原产商为日本Photron公司，型号为FASTCAMSA1.1。
通过上述系统同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的方法步骤如下：
(1)安置定容燃烧装置，将燃烧弹体上的第三光学观察窗口12与相位多普勒粒子分析仪的发射探头6位置相对应，控制相位多普勒粒子分析仪坐标架，让相位多普勒粒子分析仪的激光中心刚好通过第三光学观察窗口12的轴线，相位多普勒粒子分析仪的接收探头7与燃烧弹体的第四光学观察窗口13相对应，且两者中心线在同一条直线上。
(2)将大功率LED灯8放置在第一光学观察窗口10所对应的方位上，高速摄影机9放置在第二光学观察窗口2所对应的方位上，调整LED灯8的高度和亮度，调整高速摄影机9的机架位置和摄影机焦距，通过标定，保证在燃料喷射入燃烧弹体中时，可拍摄出最清晰的喷雾宏观形貌图；将控制器的输出线接入数字延时发生器的“EXITTRIG”端口，从数字延迟发生器的“AB”端口接出一根线，连接到相位多普勒粒子分析仪处理器；从数字延时发生器的“CD”端口接出一根线，连接到高速摄影机的“TRIGTTLIN”端口，完成硬件连接。
(3)设置数字延时发生器参数。调节数字延时发生器功能按钮，使指示灯处于“To”的右侧，则可标定数字延时器，使触发信号的零点与燃料喷射信号在同一时刻。调节功能按钮，将指示灯置于“AB”的左侧，调节数值按钮，即可调节延时时刻，设置数字延时为t1，意为AB端输出触发信号的始点位于燃料喷射信号始点后的t1处。调节功能按钮，将指示灯置于“AB”的右侧，调节数值按钮，可调节触发信号的脉宽长度，设置其数值为t2，意为AB端输出触发信号的脉宽为t2。同理，调节功能按钮，将指示灯置于“CD”的左侧，调节数值按钮，即可调节延时时刻，设置数字延时为t3，意为CD端输出触发信号的始点位于燃料喷射信号始点后的t3处。调节功能按钮，将指示灯置于“CD”的右侧，调节数值按钮，可调节触发信号的脉宽长度，设置其数值为t4，意为CD端输出触发信号的脉宽为t4。为了实现同步拍摄和测量的功能，将t1与t3时间数值设置为一致，将t2与t4时间数值设置为一致。
(4)调节相位多普勒粒子分析仪。首先设置触发模式，与相位多普勒粒子分析仪(PDA)处理器中的信号接入端口对应，在“Sync.1”中选择“BNC1”，在“Triggeredgesync.1”中选择“Positive”，意为高电平触发。在“Binningtype”里选择“Time”，意为同步测量时的横轴是时间。在“Burstdetectorenable”中选择对应的“BNC1”，意为相位多普勒粒子分析仪只测量外部输入信号段内的数据，在本实施例中即为数字延时发生器的触发信号时间脉宽t2。再调节高速摄影机的操作软件，根据需要选择触发模式。
(5)打开相位多普勒粒子分析仪的激光器，调整激光到合适的强度，通过计算机软件控制相位多普勒粒子分析仪坐标架，将激光中心移至喷孔位置处，并标定为原点，之后将激光中心移至实验设置的测量点处。
本实施例中的测量点是实验前通过高速摄影机采用阴影法获得喷雾的宏观形貌后，根据实验需要经过计算选取的。通过换算成对应的相位多普勒粒子分析仪激光中心的坐标并输入到控制软件中，通过移动坐标架，便可将激光中心移至实际喷雾场的测量点处。
(6)点击高速摄影机操作软件中的“摄录”，通过控制器控制喷射开启，燃料供给系统向定容燃烧装置内进行燃料喷射，控制器在t0时刻输出一个外部电信号给数字延时发生器，数字延时发生器AB端延时t1后会输出一个触发信号，相位多普勒粒子分析仪(PDA)处理器在t1时刻接收到触发信号后便开始测取喷雾场测量点的数据，采集持续时间为t2；数字延时发生器CD端延时t3后会输出一个触发信号，高速摄影机在t3时刻接收到触发信号后便开始对喷雾宏观形貌进行拍摄，拍摄持续时间为t4。由于之前设置的t1与t3时间数值一致，t2与t4时间数值一致，当燃料喷射控制系统控制燃料循环喷射时，相位多普勒粒子分析仪在设定的周期时间内对测量点的喷雾粒子进行测量，测量脉宽为t2，相位多普勒粒子分析仪进行测量时，高速摄影机同步拍摄喷雾宏观形貌图，如此循环，直至获取到实验需要的粒子数，停止喷射。经过相位多普勒粒子分析仪的自带软件处理后，即可获得该测量点喷雾粒子的微观特性，包括喷雾粒子的粒径信息和速度信息。之后将激光中心移至下一测量点，按照上述方法进行逐点测量和同步拍摄，最终，便可同步得到定容燃烧装置中特定阶段喷雾的宏观形貌图和破碎粒子的微观特性。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，包括定容燃烧装置、带有控制器的燃料供给系统、LED灯、高速摄影机、数字延时发生器和相位多普勒粒子分析仪，其特征在于，所述定容燃烧装置由箱体和燃烧弹体构成，所述箱体和燃烧弹体之间填充有用于保温的石棉，所述燃烧弹体设置有四个形状为通孔的观察孔，所述观察孔的轴线均在同一水平面，其中两个观察孔的轴线之间的角度为180°，另外两个观察孔的轴线之间的夹角为160°，所述观察孔上安装有光学观察窗口，所述定容燃烧装置的中部正上方设置有与所述燃料供给系统相连通的连接孔，所述控制器与所述数字延时发生器相连接，数字延时发生器分别与所述相位多普勒粒子分析仪和所述高速摄影机相连接。
2.根据权利要求1所述一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，其特征在于，所述光学观察窗口由端口法兰、光学玻璃和玻璃压盖构成。
3.根据权利要求2所述一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，其特征在于，所述端口法兰通过内六角螺栓安装于观察孔，光学玻璃安放在端口法兰上，玻璃压盖压紧光学玻璃后通过内六角螺栓与端口法兰相连接。
4.根据权利要求1所述一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统，其特征在于，所述箱体由上箱体、下箱体和箱盖构成。
5.根据权利要求1所述一种同步测量喷雾宏观形貌和微观特性的系统的测量方法，其特征在于，步骤如下：
(1)安置定容燃烧装置，将相位多普勒粒子分析仪的发射探头和接收探头分别与第三光学观察窗口和第四光学观察窗口相对应；
(2)将LED灯放置在第一光学观察窗口对应的方位，将高速摄影机放置在第二光学观察窗口对应的方位，调整高速摄影机位置和焦距使燃料喷射入燃烧弹体中时可拍摄出清晰的喷雾宏观形貌图；
(3)设置数字延时发生器参数，包括触发信号的初始时刻、延时时刻和脉宽长度；
(4)设置相位多普勒粒子分析仪参数，包括触发模式和测量周期模式；
(5)打开相位多普勒粒子分析仪的激光器，标定激光中心的原点后将激光中心移至测量点；
(6)通过控制器控制燃料供给系统向定容燃烧装置内进行燃料喷射，数字延时发生器接收到喷射开启信号后进行延时处理并输出触发信号，相位多普勒粒子分析仪接收到数字延时发生器输出的触发信号后开始对定容燃烧装置内测量点的喷雾粒子进行测量，获得该测量点喷雾粒子的粒径信息和速度信息，与此同时，高速摄影机同步拍摄喷雾宏观形貌图；该测量点测量结束后将激光中心移至下一测量点，按照上述方法进行逐点测量和拍摄；最终得到定容燃烧装置中喷雾的宏观形貌图和微观特性，所述微观特性包括喷雾粒子的粒径分布信息和速度分布信息。
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