CN105909444A - 一种基于三维piv的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，该系统包括定容室、喷油系统、调压系统和三维PIV测试系统，所述喷油系统包含油泵和喷油器，喷油器位于定容器的顶端，所述三维PIV测试系统包含CCD摄像机、激光器、PIV同步控制器、光学元件和计算机，所述CCD摄像机有两台，分别位于定容室的一侧，两台CCD摄像机通过PIV同步控制器控制，CCD摄像机采集的图像传输到计算机，计算机分别控制PIV同步控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激光器与照亮定容器的光学元件连接。本发明的一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，可以对船用柴油机喷雾场进行三维PIV测量，获取三维速度分布数据。

Description

一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，属于柴油机领域。

背景技术

喷油器作为船用柴油机核心部件之一，其作用是将柴油从液体雾化成细小的颗粒，从而与燃烧室中的空气均匀混合，得到良好的可燃性气体。船用柴油机燃烧过程的优劣，决定着柴油机的动力性、经济性、排放、噪音、机械负荷和热负荷。而喷雾特性则是直接决定船用柴油机的燃烧过程，因此对喷雾特性的研究具有重要的意义。

目前，针对船用柴油机喷雾场的研究主要通过试验研究和数值模拟两种手段。在流体力学基础上，国内外已发展出多种数值模型，但是没有哪一种模型能准确的模拟整个喷雾过程，所有数值模拟仍局限于验证性质，因此试验研究仍然是最基本也是最有效的方法。近年来，随着近代光学技术、激光技术和计算机技术的发展，在流场测量方面逐渐形成了以粒子图像测速(PIV)、激光诱导荧光法等为代表的新一代流动显示技术，不仅能获得较为精确的定量测量能力，而且实现了复杂空间机构的瞬态显示与测量，因此对于复杂流动的研究(尤其是喷雾场研究)具有重要意义。

国内外针对船用柴油机喷雾场的试验研究主要采用二维粒子图像速度场仪(PIV)，其试验装置也全部为二维特性测量系统。而喷雾场在空间中呈“圆锥状”，其结构并非轴对称，尤其在喷雾内部为复杂的三维流动流场，现在的试验装置无法满足对内部三维流动流场的测量。因此设计一套三维流动流场的试验装置，对船用柴油机喷雾场的测量具有重要的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，可以对船用柴油机喷雾场进行三维PIV测量，获取三维速度分布数据。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，包括定容室、喷油系统、调压系统和三维PIV测试系统，所述喷油系统包含油泵和喷油器，油泵的油箱中撒入示踪粒子，喷油器位于定容器的顶端，所述三维PIV测试系统包含CCD摄像机、激光器、PIV同步控制器、光学元件和计算机，所述CCD摄像机有两台，分别位于定容室的一侧，两台CCD摄像机通过PIV同步控制器控制，CCD摄像机采集的图像传输到计算机，计算机分别控制PIV同步控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激光器与照亮定容器的光学元件连接；所述喷油同步控制器通过电磁阀与喷油器连接。

作为优选，所述定容器为透明玻璃制成。

作为优选，所述调压系统包含空压机，空压机通过第一进气阀、气压表和第二进气阀与定容器连接。

作为优选，所述定容器上安装有排气阀。

作为优选，所述定容器为正方体结构，两个CCD摄像机的轴线关于定容器一个面的法线对称，两个CCD摄像机的轴线位于水平面且轴线形成的角度为θ。

作为优选，所述定容器的边长L为式中：d_n为喷油器的喷孔直径，mm；ρ_f为柴油的密度，g/cm³；Δp为喷孔压力差，KPa，ρ_a为燃烧室内空气的密度，g/cm³，t为喷射持续时间，ms。根据公式设计的定容室，使喷雾场正好处于整个定容室内，有助于CCD摄像机拍摄整个喷雾场。定容室过小，会使得喷雾碰内壁；定容室过大，占用安装空间，且不利于CCD摄像机捕捉喷雾场。

作为优选，所述θ的范围45～90°，可以有效地捕捉到浓度较大处的示踪粒子。

作为优选，所述油泵与喷油器之间依次设有流量计、油压表和油阀。

一种上述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的测量方法，包括以下步骤：

1)关闭喷油器，打开调压系统，使定容室内环境压力为指定压力时关闭调压系统；

2)调节光学元件，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷油器轴线重合，调节CCD摄像机，使CCD摄像机能拍摄到整个喷雾场；

3)在油泵的油箱中撒入适量硅油示踪粒子，喷油器到指定喷油工况后稳定油泵；

4)通过计算机同时发送给喷油同步控制器和PIV同步控制器触发信号，喷油同步控制器将触发信号传给电磁阀，来同步控制喷油器的启喷；同时激光器将激光传给光学元件用来照亮喷雾场指定区域，CCD摄像机同时拍摄喷雾场内三维流动，测量当前截面流场信息，拍摄结束后，CCD摄像机将图像信息传入计算机，计算机经软件计算处理后得到喷雾场三维速度分布状况。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明可以对船用柴油机喷雾场进行三维PIV测量，获取三维速度分布数据。且所发明测量系统适用于所有船用柴油机喷雾场的测量。

2)将船用柴油机简化成可视化的高压玻璃，通过空压机来模拟柴油机内部环境条件，结构简单，制造方便，可循环使用。

3)在测试系统中加入PIV同步控制器和喷油同步控制器可以有效地保证测量系统的同步性和精确性。

4)硅油作为示踪粒子跟随性较好，粒子容易发散不会结团，能够真实反映喷雾液滴的实际运动情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明采用粒子图像速度场仪(PIV)对可视化喷雾场进行三维流场测试，得到内流场流速分布，喷雾过程非常复杂且剧烈，PIV技术对流场无干扰，可以获得内流场的瞬时速度场，是测量复杂流场的一种最先进的技术。通过PIV技术对喷雾场进行研究，其结果可用于喷油器的设计与优化。

如图1所示，本发明的一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，它包括可视化喷雾系统和三维PIV测试系统。可视化喷雾系统包括喷油同步控制器6、电磁阀7、油泵8、流量计9、油压表10、进油阀11、排气阀12、喷油器13、定容室14、第一第一进气阀17、第二进气阀15、气压表16、空压机18。船用柴油机简化为高压玻璃制成的正方体定容室14，边长为150mm，大小适用于船用柴油机。定容室14安装在试验台上。喷油器13安装在顶面中心，喷射方向垂直向下。喷油器13依次与进油阀11、油压表10、流量计9、油泵8通过高压油管相连。同时喷油器13依次与电磁阀7、喷油同步控制器13、计算机5相连，通过计算机5控制喷油器13喷油的开始和结束。为了模拟发动机内环境压力，该喷雾场测量系统还设有空压机18，通过进气管依次和第一进气阀17、气压表16、第二进气阀15、定容室14相连，空压机18安装在定容室14的左边。定容室14顶面设有排气阀12，用于控制定容室14内环境压力。三维PIV测试系统包括CCD摄像机1、激光器2、PIV同步控制器3、光学元件4、计算机5。两CCD摄像机1轴线呈一角度θ安装在定容室14正前方，θ优选为45～90°，两CCD摄像机1对称轴与定容室14正面中心的法线重合。激光器2和光学元件4安装在定容室14右侧。为了同步CCD摄像机1和激光器2，将激光器2和CCD摄像机1分别与PIV同步控制器3、计算机5相连。同时将计算机5和CCD摄像机1相连，用来收集图像信息。

本发明的一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的具体操作方法如下：

1)关闭喷油器13，打开第二进气阀15和第一进气阀17，调节空压机18阀门，使定容室14内环境压力(气压表16显示)为指定压力时关闭第一进气阀17和空压机18。如果定容室14内环境压力过大，则通过开启排气阀12来降低环境压力。

2)调节光学元件4，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷油器轴线重合。调节CCD摄像机1，使其轴线呈一角度θ并在同一水平面。调节CCD摄像机1焦距，使CCD摄像机1能拍摄到整个喷雾场。

3)在油泵8的油箱中撒入适量示踪粒子。关闭进油阀11，调节油泵8的阀门，观察流量计9和油压表10，在其达到指定喷油工况后稳定油泵8的阀门。

4)通过计算机5同时发送给喷油同步控制器6和PIV同步控制器3触发信号。喷油同步控制器6将触发信号传给电磁阀7，来同步控制喷油器13的启喷。同时激光器2将激光传给光学元件4用来照亮喷雾场指定区域。CCD摄像机1同时拍摄喷雾场内三维流动，测量当前截面流场信息。拍摄结束后，CCD摄像机1将图像信息传入计算机5，计算机5经软件计算处理后得到喷雾场三维速度分布状况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：包括定容室、喷油系统、调压系统和三维PIV测试系统，所述喷油系统包含油泵和喷油器，油泵的油箱中撒入示踪粒子，喷油器位于定容器的顶端，所述三维PIV测试系统包含CCD摄像机、激光器、PIV同步控制器、光学元件和计算机，所述CCD摄像机有两台，分别位于定容室的一侧，两台CCD摄像机通过PIV同步控制器控制，CCD摄像机采集的图像传输到计算机，计算机分别控制PIV同步控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激光器与照亮定容器的光学元件连接；所述喷油同步控制器通过电磁阀与喷油器连接。

2.根据权利要求1所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述定容器为透明玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述调压系统包含空压机，空压机通过第一进气阀、气压表和第二进气阀与定容器连接。

4.根据权利要求3所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述定容器上安装有排气阀。

5.根据权利要求1所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述定容器为正方体结构，两个CCD摄像机的轴线关于定容器一个面的法线对称，两个CCD摄像机的轴线位于水平面且轴线形成的角度为θ。

6.根据权利要求5所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述θ的范围为45～90°。

7.根据权利要求5所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述定容器的边长L为式中：d_n为喷油器的喷孔直径，mm；ρ_f为柴油的密度，g/cm³；Δp为喷孔压力差，KPa，ρ_a为定容室内空气的密度，g/cm³，t为喷射持续时间，ms。

8.根据权利要求1所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所述油泵与喷油器之间依次设有流量计、油压表和油阀。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)关闭喷油器，打开调压系统，使定容室内环境压力为指定压力时关闭调压系统；

2)调节光学元件，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷油器轴线重合，调节CCD摄像机，使CCD摄像机能拍摄到整个喷雾场；

3)在油泵的油箱中撒入适量硅油示踪粒子，喷油器到指定喷油工况后稳定油泵；

4)通过计算机同时发送给喷油同步控制器和PIV同步控制器触发信号，喷油同步控制器将触发信号传给电磁阀，来同步控制喷油器的启喷；同时激光器将激光传给光学元件用来照亮喷雾场指定区域，CCD摄像机同时拍摄喷雾场内三维流动，测量当前截面流场信息，拍摄结束后，CCD摄像机将图像信息传入计算机，计算机经软件计算处理后得到喷雾场三维速度分布状况。