CN112858305A - 一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置及方法。该试验装置包括定容燃烧弹体、供气系统、排气系统、燃油喷射系统、光路纹影系统、控制系统等。通过拍摄定容燃烧弹体内的喷雾发展过程的图像，根据灰度与温度之间的关系，确定图片中每个像素点的温度；基于纹影技术，根据折射率、密度与灰度之间的理论关系，得到图像的密度；结合建立的燃料特性参数数据库，得到图像中每个像素点的温度、密度、压力，进一步可以判断出该像素点对应的喷雾物理状态及喷雾不同物理状态区域的边界。

Description

一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置及方法

技术领域

本申请涉及发动机喷雾技术领域，特别是涉及一种基于纹影技术的高温高压喷雾特性的测量装置及方法。

背景技术

发动机的燃烧过程取决于燃料的蒸发、雾化程度，尤其是高温、高压时，燃料的喷雾过程对燃油-空气的混合、燃烧过程的控制等有直接的影响，对发动机的经济性、动力性和排放性起着重要作用。

随着发动机高增压、高喷射压力等技术的应用，发动机的缸内压力和温度不断升高。碳氢燃料喷入气缸的环境压力、温度等已超出了大部分烃类燃料以及环境气体的临界压力与温度，喷雾会达到超临界状态，传统的亚临界喷雾的单一清晰界面消失，而出现复杂的连续的界面层。对燃料喷雾特性的测试，一般采用光学测量技术(如：直接拍摄法、Mie散射法、纹影法等)结合高速摄影技术，拍摄喷雾发展过程的图像，进而分析喷雾特征参数的变化规律。基于现有测量技术，通常可以得到喷雾的液相或者气相的大致轮廓，对喷雾图像的处理也只能得到喷雾锥角、贯穿距离等基本信息。对于喷雾发展过程中气液相变过程的细微变化，比如精确的喷雾边界、高温高压条件下超临界喷雾边界层的判断等，尚无有效方法。

针对高温高压超临界条件下，喷雾气液界面层出现的特殊变化，提出一种基于纹影技术判断喷雾气液界面的装置及方法，可以对高温高压条件下发动机燃料的雾化特性进行有效测试和评价，为燃料在发动机上的应用提供依据。

发明内容

本发明是针对高温高压条件下，喷雾边界不再是单一清晰的气液界面，可能出现复杂的连续的界面层，现有技术无法有效判别喷雾的气液界面层的技术问题，提供了一种基于纹影技术判断高温高压喷雾亚临界、超临界的物理状态，以及识别气、液界面的测量装置及方法，无需在现有技术基础上增加昂贵的设备，提高测试效率。

本发明的技术方案为：

一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置，包括定容燃烧弹体7、供气系统、排气系统、燃油喷射系统、光路纹影系统、控制系统；

所述定容燃烧弹体7提供温度250K-1200k，压力0.1MPa-10MPa的超临界环境条件，模拟发动机缸内温度压力变化情况；

所述供气系统包括依次相连接的高压氛围气瓶1、质量流量计2、气压阀4，并通过管道与所述定容燃烧弹体7上的进气阀相连接；

所述排气系统包括相连接的排气阀12、排气管、废气处理器13，废气处理器13通过排气管与定容燃烧弹体7上的排气阀相连；

所述燃油喷射系统采用高压共轨燃油喷射系统6，提供最高200MPa的燃料喷射压力；所述燃油喷射系统与定容燃烧弹体7上端盖相连；定容燃烧弹体7上端盖处设有喷油器5；

所述光路纹影系统包括点光源3、观察窗口、高速摄像机10；高速摄像机10通过定容燃烧弹体7上的观察窗口，对喷雾进行观察；

所述控制系统包括计算机11、控制单元、质量流量计2、温度传感器8、压力传感器9，计算机11通过控制单元分别和质量流量计2、温度传感器8、压力传感器9、燃油喷射系统、高速摄像机10连接，实现对喷油、拍摄动作的同步控制；通过拍摄定容燃烧弹体内的喷雾发展过程的图像，对图像的灰度值进行处理，得到图片中每个像素点的密度、温度、压力，再根据该像素点的温度、压力，判断出该像素点对应的喷雾物理状态及喷雾不同物理状态区域的边界。

进一步，所述观察窗口，分别位于所述定容燃烧弹体的两个侧面；所述观察窗口内嵌有耐高温的光学石英玻璃；所述光源为12v、12w功率的led灯，保证背光强度恒定；所述点光源3、观察窗口、源格栅、聚焦透镜、刀口栅、高速摄像机位于同一水平。

进一步，所述高速摄像机像素不低于512×512ppi，帧率不低于为10000fps，快门速度不低于1/10000s，确保整个实验的可视化与记录。

进一步，定容燃烧弹体采用不锈钢加热棒的方式对氛围气进行加热，弹体采用耐高温耐高压材料，并进行保温处理，采用温度传感器8测量弹体内的温度。

本发明一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的方法的技术方案为，判断步骤如下：

步骤1：向定容燃烧弹体(7)内通入试验预定温度、压力的惰性氛围气；

步骤2：待定容燃烧弹体内温度、压力稳定5min后，开启控制系统，喷油系统向氛围气中喷入试验预定温度、压力的燃油，光路系统拍摄喷雾过程喷雾结束后关闭拍摄系统，开启排气系统；

步骤3：在拍摄得到的图像中，确定燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内的图像Image0和喷雾开始时刻的图像Image1；对Image0的灰度值进行求平均，得到的平均灰度对应该次试验设定的氛围气初始温度T_H；图像Image1中喷油器喷嘴处灰度值最大的像素点的温度为燃料初始温度为T_L，可以由试验测得；根据T_H和T_L对应的像素点的灰度值，绘制灰度与温度的比例尺；

步骤4：对于喷雾过程中任一图像ImageX，将ImageX转换成灰度图像，得到图像的灰度函数I＝f(x,y)，其中x和y分别是图像的横纵坐标，I是图像上坐标为(x,y)的像素点的灰度值；根据步骤3中得到的灰度与温度比例尺，得到ImageX的温度函数T＝T(x,y)；

步骤5：重复步骤1-2，同时打开光路纹影系统拍摄喷雾过程；

步骤6：在纹影和高速摄像机拍摄得到的喷雾图像中，选择要分析的喷雾图像Image2，将图像Image2减去燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内图像，可以得到扣背底的喷雾图像Image3；

步骤7：根据折射率、密度与灰度之间的理论关系，得到图像的密度函数ρ＝ρ(x,y)，其中，流体折射率与密度可以采用Gladstone-Dale关系式等相关理论进行计算，折射光强与折射率的关系可由公式(1)进行计算，由此可以得到图像中每个像素点密度：

I＝1/2(ε₀/μ₀)^1/2nE² (1)

其中，I为光强，n为折射率，ε₀为光速，μ₀为真空中的磁导率，E为振幅。

步骤8：燃料在常温常压(T＝25℃，p＝0.1MPa)的密度ρ₀、临界点(临界温度T＝T_c，临界压力p＝p_c)的密度ρ_c通常是已知的，由此可以根据公式(2)计算得到燃料在不同压力下的沸点：

lgp＝A+B/T_b (2)

其中，p为压力，T_b为燃料的沸点，A、B为常数。

步骤9：燃料在沸点处的密度与压力的关系近似呈线性，可以由公式(3)、(4)计算得到：

ρ_Tb-＝a₁p+b₁ (3)

ρ_Tb+＝a₂p+b₂ (4)

其中，ρ_Tb-为燃料为液相接近沸点的密度，ρ_Tb+为燃料为气相接近沸点的密度，a₁、b₁、a₂、b₂均为常数。将ρ_Tb0+(常压液相接近沸点的密度)、ρ_c带入公式(3)，可以得到a₁、b₁，将ρ_Tb0+(常压气相接近沸点的密度)、ρ_c带入公式(3)，可以得到a₂、b₂。

步骤10：在亚临界压力条件(p<p_c)下，当T<T_b时，燃料为液相，T>T_b时，燃料为气相；且燃料密度与温度的关系可以近似为线性关系，具体可以用公式(5)、(6)表达：

ρ₁(T)＝m₁T+n₁，T<T_b (5)

ρ₂(T)＝m₂T+n₂，T>T_b (6)

其中，m₁、n₁、m₂、n₂为常数。

ρ₁(T)为p<p_c、T<T_b时的燃料密度，ρ₂(T)为p<p_c、T>T_b时的燃料密度。

p＝0.1MPa时，ρ₁(T)、ρ₂(T)容易根据ρ₀、ρ_Tb0-、ρ_Tb0+、ρ'(T>T_b的某一点的密度)计算得到；其它压力条件下的燃料密度可以根据p＝0.1MPa的结果，采用差分法进一步得到。

步骤11：在超临界压力条件(p>p_c)下，燃料密度与温度可以根据燃料特性，采用例如多项式(7)的函数进行表达：

ρ₂(T)＝k₁T²+k₂T+k₃ (7)

其中，k₁、k₂、k₃为常数。考虑到燃料密度在临界压力p＝p_c时具有连续性，由公式(5)、(6)计算p＝p_c时燃料的密度，带入公式(7)，可以得到k₁、k₂、k₃；当p>p_c时，可以由p＝p_c的燃料密度采用差分法进一步进行计算。

步骤12：根据步骤8-11，可以建立试验燃料在温度范围(T_L，T_H)、压力范围(p_L，p_H)(p_L为氛围气压力，p_H为燃料在喷油器内的压力)的温度、压力、密度数据库D。

步骤13：依托数据库D，结合试验燃料的临界点数据(T_c、p_c、ρ_c)，科研确定喷雾图像中每一个像素点的亚临界液相、亚临界气相、超临界、伪沸腾物理状态，进一步可以得到喷雾各物理状态的边界。

进一步，步骤13的具体过程为：

14.1)喷雾图像Image3中所有像素点的集合用U表示，U可以分为两部分：U_fuelliquid、U_fuel+gas，如图1所示。其中，U_fuelliquid中的物质为亚临界液态燃料(喷雾发展过程中氛围气在亚临界液态燃料中的溶解可以忽略)，U_fuel+gas中的物质为燃料与氛围气的混合体(燃料气化或达到超临界状态后，会与氛围气发生混合)。

14.2)根据步骤5和步骤7得到的温度和密度分布，对喷雾图像Image3中任一像素点(x_i,y_i)，满足T_i<T_c且ρ_i<ρ_c，则判定该像素点中的物质为液态的燃料。重复这一判断方法，对图像Image3中所有像素点进行判断，得到液态燃料分布的像素点集合U_fuelliquid，则U_fuel+gas＝U-U_fuelliquid。

14.3)忽略喷雾发展过程中随机因素的影响，假设喷雾沿喷嘴轴线对称，可以计算出图像Image3中集合U对应的体积V、以及集合U_fuelliquid对应的体积V_fuelliquid，则集合U_fuel+gas对应的体积V_fuel+gas＝V-V_fuelliquid。

14.4)集合U中对应的物质总质量m＝∑ρ_iv_i，其中，ρ_i为像素点(x_i,y_i)的密度、v_i为像素点(x_i,y_i)的体积，图像Image3对应的时刻，喷入容弹内燃料的质量m_fuel可以根据喷油规律计算。则，集合U中的氛围气质量、也即集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas＝m-m_fuel。

14.5)在喷雾图像Image3中，接近喷嘴处氛围气浓度最低，喷雾外围无穷远处氛围气浓度最高。集合U_fuelliquid,最外围的像素点中，氛围气浓度为0，集合U_fuel+gas最外围的像素点浓度为1。设氛围气浓度符合线性梯度。根据集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas、浓度梯度，可以得到集合U_fuel+gas中每个像素点的氛围气密度ρ_igas。由ρ_i和ρ_igas，可以得到该像素点中燃料的密度ρ_ifuel。进一步，可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数ρ＝ρ(x,y)。

14.6)根据步骤12建立的数据库D、步骤14.1)-14.5)得到的喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的温度和密度，可以得到喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的压力，进一步可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数p＝p(x,y)。

14.7)根据建立的喷雾图像Image3中燃料的温度函数T＝T(x,y)、密度函数ρ＝ρ(x,y)、压力函数p＝p(x,y)，结合燃料的三相点和临界点，可以判断图像Image3中任一像素点的燃料物理状态，也就可以得到喷雾各物理状态区域的边界、喷雾相变速率、混合速率等特征参数。

本发明的有益效果为：

1、一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置及方法，可以对高温高压环境中喷雾的物理状态(亚临界、超临界)、边界层(气态、液态、混合层)进行具体精确判断，可以得到环境温度、压力、燃料特性等因素对喷雾发展过程、液气转化效率、喷雾结构与物理状态的影响规律进行表征，可以为燃料在发动机上的应用提供依据。

2、现有喷雾图像的处理方法一般是：灰度处理、扣除背底、设置阈值，现有方法可以得到喷雾的大致结构信息，但存在两方面的缺点：(1)设置阈值会有试验人员的主导因素存在，导致分析结果增加了人为误差；(2)图像处理结果得到喷雾的大致轮廓结构，并基于该结果得到喷雾锥角、贯穿距离等信息，但无法得到高温高压条件下的超临界喷雾的准确喷雾边界；(3)燃料的气相、液相判断需要借助不同的技术，现有方法很难通过简单试验得到喷雾雾化效率的相关信息。与现有装置及方法相比，该装置及方法对喷雾图像的处理是基于成熟理论，减少了经验参数等人为因素的影响，技术难度没有提升、经济成本没有增加，可以得到喷雾结构、喷雾各空间位置的物理状态、不同物理状态的喷雾边界、雾化效率等信息。

3、本发明提出的喷雾气液界面的装置及方法，不仅可以解决高温高压环境中超临界喷雾界面层难以界定的问题，还可以对非高温高压环境中亚临界喷雾的边界进行精确判断，得到亚临界喷雾锥角、贯穿距离等一般喷雾特性参数，以及喷雾的气液态分布规律、液气转化效率等现有方法无法得到的参数。

附图说明

图1为喷雾发展示意图；

图2为该高温高压喷雾测试装置示意图。其中，1-高压氛围气瓶；2-流量计；3-点光源；4-气压阀；5-喷油器；6-燃油喷射系统；7-定容燃烧弹体；8-温度传感器；9-压力传感器；10-高速摄像机；11-计算机；12-排气阀；13-废气处理器。

具体实施方式

下面结合附图具体描述本发明的具体实施方式。

如图2所示，一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置，包括定容燃烧弹体、供气系统、排气系统、燃油喷射系统、光路纹影系统、控制系统。判断高温高压喷雾气液界面的方法，通过拍摄定容燃烧弹体内的喷雾发展过程的图像，对图像的灰度值进行处理，得到图片中每个像素点的灰度值，根据灰度与温度、灰度与密度之间的关系，确定图片中每个像素点的密度、温度，结合建立的燃料特性参数数据库等燃料特性的相关试验数据，得到图像中每个像素点的压力，再根据该像素点的温度、压力，判断出该像素点对应的喷雾物理状态及喷雾不同物理状态区域的边界。

定容燃烧弹体可以提供温度250K-1200K，压力0.1MPa-10MPa的超临界环境条件，模拟发动机缸内温度压力变化情况，定容燃烧弹体可以采用不锈钢加热棒的方式对氛围气进行加热，弹体采用耐高温耐高压材料，并进行保温处理(如涂覆保温涂料、覆盖保温罩等)，采用温度传感器测量弹体内的温度；

供气系统包括高压氛围气瓶(如氮气瓶)、气压阀、质量流量计等，并通过管道与所述定容燃烧弹体上的进气阀相连接；

排气系统包括排气阀、排气管、废气处理器，废气处理器通过排气管与定容燃烧弹体上的排气阀相连；

燃油喷射系统采用高压共轨燃油喷射系统，可以提供最高200MPa的燃料喷射压力；所述燃油喷射系统与定容燃烧弹体上端盖相连；

光路纹影系统包括点光源、观察窗口、源格栅、聚焦透镜、刀口栅、高速摄像机等；所述光路纹影系统通过定容燃烧弹体上的观察窗口，对喷雾进行观察；

控制系统包括计算机、控制单元、传感器(质量流量计、温度传感器、压力传感器等)，实现对喷油、拍摄等动作的同步控制；

定容燃烧弹体上开设有观察窗口，分别位于所述定容燃烧弹体的两个侧面；所述观察窗口内嵌有耐高温的光学石英玻璃；所述光源为12v、12w功率的led灯，保证背光强度恒定；所述点光源、观察窗口、源格栅、聚焦透镜、刀口栅、高速摄像机位于同一水平线；所述高速摄像机像素不低于512×512ppi，帧率不低于为10000fps，快门速度不低于1/0000s，确保整个实验的可视化与记录。

高温高压条件下喷雾边界的判断步骤如下：

步骤1：向定容燃烧弹体(7)内通入试验预定温度、压力的惰性氛围气；

步骤2：待定容燃烧弹体内温度、压力稳定5min后，开启控制系统，喷油系统向氛围气中喷入试验预定温度、压力的燃油，光路系统拍摄喷雾过程喷雾结束后关闭拍摄系统，开启排气系统；

步骤3：在拍摄得到的图像中，确定燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内的图像Image0和喷雾开始时刻的图像Image1；对Image0的灰度值进行求平均，得到的平均灰度对应该次试验设定的氛围气初始温度T_H；图像Image1中喷油器喷嘴处灰度值最大的像素点的温度为燃料初始温度为T_L，可以由试验测得；根据T_H和T_L对应的像素点的灰度值，绘制灰度与温度的比例尺；

步骤4：对于喷雾过程中任一图像ImageX，将ImageX转换成灰度图像，得到图像的灰度函数I＝f(x,y)，其中x和y分别是图像的横纵坐标，I是图像上坐标为(x,y)的像素点的灰度值；根据步骤3中得到的灰度与温度比例尺，得到ImageX的温度函数T＝T(x,y)；

步骤5：重复步骤1-2，同时打开光路纹影系统拍摄喷雾过程；

步骤6：在纹影和高速摄像机拍摄得到的喷雾图像中，选择要分析的喷雾图像Image2，将图像Image2减去燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内图像，可以得到扣背底的喷雾图像Image3；

步骤7：根据折射率、密度与灰度之间的理论关系，得到图像的密度函数ρ＝ρ(x,y)，其中，流体折射率与密度可以采用Gladstone-Dale关系式等相关理论进行计算，折射光强与折射率的关系可由公式(1)进行计算，由此可以得到图像中每个像素点密度：

I＝1/2(ε₀/μ₀)^1/2nE² (1)

其中，I为光强，n为折射率，ε₀为光速，μ₀为真空中的磁导率，E为振幅。

步骤8：燃料在常温常压(T＝25℃，p＝0.1MPa)的密度ρ₀、临界点(T＝T_c，p＝p_c)的密度ρ_c通常是已知的，由此可以根据公式(2)计算得到燃料在不同压力下的沸点：

lgp＝A+B/T_b (2)

其中，p为压力，T_b为燃料的沸点，A、B为常数。

步骤9：燃料在沸点处的密度与压力的关系近似呈线性，可以由公式(3)、(4)计算得到：

ρ_Tb-＝a₁p+b₁ (3)

ρ_Tb+＝a₂p+b₂ (4)

其中，ρ_Tb-为燃料为液相接近沸点的密度，ρ_Tb+为燃料为气相接近沸点的密度，a₁、b₁、a₂、b₂均为常数。将ρ_Tb0+(常压液相接近沸点的密度)、ρ_c带入公式(3)，可以得到a₁、b₁，将ρ_Tb0+(常压气相接近沸点的密度)、ρ_c带入公式(3)，可以得到a₂、b₂。

步骤10：在亚临界压力条件(p<p_c)下，当T<T_b时，燃料为液相，T>T_b时，燃料为气相；且燃料密度与温度的关系可以近似为线性关系，具体可以用公式(5)、(6)表达：

ρ₁(T)＝m₁T+n₁，T<T_b (5)

ρ₂(T)＝m₂T+n₂，T>T_b (6)

其中，m₁、n₁、m₂、n₂为常数。

ρ₁(T)为p<p_c、T<T_b时的燃料密度，ρ₂(T)为p<p_c、T>T_b时的燃料密度。

p＝0.1MPa时，ρ₁(T)、ρ₂(T)容易根据ρ₀、ρ_Tb0-、ρ_Tb0+、ρ'(T>T_b的某一点的密度)计算得到；其它压力条件下的燃料密度可以根据p＝0.1MPa的结果，采用差分法进一步得到。

步骤11：在超临界压力条件(p>p_c)下，燃料密度与温度可以根据燃料特性，采用例如多项式(7)的函数进行表达：

ρ₂(T)＝k₁T²+k₂T+k₃ (7)

其中，k₁、k₂、k₃为常数。考虑到燃料密度在临界压力p＝p_c时具有连续性，由公式(5)、(6)计算p＝p_c时燃料的密度，带入公式(7)，可以得到k₁、k₂、k₃；当p>p_c时，可以由p＝p_c的燃料密度采用差分法进一步进行计算。

步骤12：根据步骤8-11，可以建立试验燃料在温度范围(T_L，T_H)、压力范围(p_L，p_H)(p_L为氛围气压力，p_H为燃料在喷油器内的压力)的温度、压力、密度数据库D。

步骤13：依托数据库D，结合试验燃料的临界点数据(T_c、p_c、ρ_c)，科研确定喷雾图像中每一个像素点的亚临界液相、亚临界气相、超临界、伪沸腾物理状态，进一步可以得到喷雾各物理状态的边界。

上述步骤13的具体过程为：

14.1)喷雾图像Image3中所有像素点的集合用U表示，U可以分为两部分：U_fuelliquid、U_fuel+gas，如图1所示。其中，U_fuelliquid中的物质为亚临界液态燃料(喷雾发展过程中氛围气在亚临界液态燃料中的溶解可以忽略)，U_fuel+gas中的物质为燃料与氛围气的混合体(燃料气化或达到超临界状态后，会与氛围气发生混合)。

14.2)根据步骤5和步骤7得到的温度和密度分布，对喷雾图像Image3中任一像素点(x_i,y_i)，满足T_i<T_c且ρ_i<ρ_c，则判定该像素点中的物质为液态的燃料。重复这一判断方法，对图像Image3中所有像素点进行判断，得到液态燃料分布的像素点集合U_fuelliquid，则U_fuel+gas＝U-U_fuelliquid。

14.3)忽略喷雾发展过程中随机因素的影响，假设喷雾沿喷嘴轴线对称，可以计算出图像Image3中集合U对应的体积V、以及集合U_fuelliquid对应的体积V_fuelliquid，则集合U_fuel+gas对应的体积V_fuel+gas＝V-V_fuelliquid。

14.4)集合U中对应的物质总质量m＝∑ρ_iv_i。图像Image3对应的时刻，喷入容弹内燃料的质量m_fuel可以根据喷油规律计算。则，集合U中的氛围气质量、也即集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas＝m-m_fuel。

14.5)在喷雾图像Image3中，接近喷嘴处氛围气浓度最低，喷雾外围无穷远处氛围气浓度最高。集合U_fuelliquid,最外围的像素点中，氛围气浓度为0，集合U_fuel+gas最外围的像素点浓度为1。设氛围气浓度符合线性梯度。根据集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas、浓度梯度，可以得到集合U_fuel+gas中每个像素点的氛围气密度ρ_igas。由ρ_i和ρ_igas，可以得到该像素点中燃料的密度ρ_ifuel。进一步，可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数ρ＝ρ(x,y)。

14.6)根据步骤12建立的数据库D、步骤14.1)-14.5)得到的喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的温度和密度，可以得到喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的压力，进一步可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数p＝p(x,y)。

14.7)根据建立的喷雾图像Image3中燃料的温度函数T＝T(x,y)、密度函数ρ＝ρ(x,y)、压力函数p＝p(x,y)，结合燃料的三相点和临界点，可以判断图像Image3中任一像素点的燃料物理状态，也就可以得到喷雾各物理状态区域的边界、喷雾相变速率、混合速率等特征参数。

综上，本发明的一种发动机液体燃料燃烧特性测试装置及方法。该试验装置中包括定容燃烧弹体、供气系统、排气系统、燃油喷射系统、光路纹影系统、控制系统等。通过拍摄定容燃烧弹体内的喷雾发展过程的图像，对图像的灰度值进行处理，得到图片中每个像素点的灰度值，根据灰度与温度、灰度与密度之间的关系，确定图片中每个像素点的密度、温度，结合建立的燃料特性参数数据库，得到图像中每个像素点的压力，再根据该像素点的温度、密度、压力，判断出该像素点对应的喷雾物理状态及喷雾不同物理状态区域的边界。与现有燃料燃烧特性测试方法相比，该测试方法不仅可以得到高温高压条件下超临界喷雾特性，也可以应用于非高温高压条件的亚临界喷雾特性的分析，且该测试方法对喷雾图像的处理是基于成熟理论，减少经验参数等人为因素的影响，因此分析结果的精度更高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的装置，其特征在于，包括定容燃烧弹体(7)、供气系统、排气系统、燃油喷射系统、光路纹影系统、控制系统；

所述定容燃烧弹体(7)提供温度250K-1200k，压力0.1MPa-10MPa的超临界环境条件，模拟发动机缸内温度压力变化情况；

所述供气系统包括依次相连接的高压氛围气瓶(1)、质量流量计(2)、气压阀(4)，并通过管道与所述定容燃烧弹体(7)上的进气阀相连接；

所述排气系统包括相连接的排气阀(12)、排气管、废气处理器(13)，废气处理器(13)通过排气管与定容燃烧弹体(7)上的排气阀相连；

所述燃油喷射系统采用高压共轨燃油喷射系统(6)；所述燃油喷射系统与定容燃烧弹体(7)上端盖相连，定容燃烧弹体(7)上端盖处设有喷油器(5)；

所述光路纹影系统包括点光源(3)、观察窗口、高速摄像机(10)；耐高温光学石英玻璃的观察窗口位于定容燃烧弹体的两侧；所述点光源(3)、观察窗口、源格栅、聚焦透镜、刀口栅、高速摄像机位于同一水平；高速摄像机(10)通过定容燃烧弹体(7)上的观察窗口，确保整个喷雾实验的高速可视化与记录；

所述控制系统包括计算机(11)、控制单元、质量流量计(2)、温度传感器(8)、压力传感器(9)，计算机(11)通过控制单元分别和质量流量计(2)、温度传感器(8)、压力传感器(9)、燃油喷射系统、高速摄像机(10)连接，实现对喷油、拍摄动作的同步控制；通过拍摄定容燃烧弹体内的喷雾发展过程的图像，对图像进行处理，得到图片中每个像素点的温度、密度、压力，再根据该像素点的温度、密度、压力，判断出该像素点对应的喷雾物理状态及喷雾不同物理状态区域的边界。

2.一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的方法，其特征在于，判断步骤如下：

步骤1：向定容燃烧弹体(7)内通入试验预定温度、压力的惰性氛围气；

步骤2：待定容燃烧弹体内温度、压力稳定5min后，开启控制系统，喷油系统向氛围气中喷入试验预定温度、压力的燃油，光路系统拍摄喷雾过程喷雾结束后关闭拍摄系统，开启排气系统；

步骤3：在拍摄得到的图像中，确定燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内的图像Image0和喷雾开始时刻的图像Image1；对Image0的灰度值进行求平均，得到的平均灰度对应该次试验设定的氛围气初始温度T_H；图像Image1中喷油器喷嘴处灰度值最大的像素点的温度为燃料初始温度为T_L，可以由试验测得；根据T_H和T_L对应的像素点的灰度值，绘制灰度与温度的比例尺；

步骤4：对于喷雾过程中任一图像ImageX，X＝0,1,2,3…N，将ImageX转换成灰度图像，得到图像的灰度函数I＝f(x,y)，其中x和y分别是图像的横纵坐标，I是图像上坐标为(x,y)的像素点的灰度值；根据步骤3中得到的灰度与温度比例尺，得到ImageX的温度函数T＝T(x,y)；

步骤5：重复步骤1-2，同时打开光路纹影系统拍摄喷雾过程；

步骤6：在纹影和高速摄像机拍摄得到的喷雾图像中，选择要分析的喷雾图像Image2，将图像Image2减去燃料喷射前一帧拍摄的定容弹内图像，可以得到扣背底的喷雾图像Image3；

步骤7：根据折射率、密度与灰度之间的理论关系，得到图像的密度函数ρ＝ρ(x,y)，其中，流体折射率与密度可以采用Gladstone-Dale关系式等相关理论进行计算，折射光强与折射率的关系可由公式(1)进行计算，由此可以得到图像中每个像素点密度：

I＝1/2(ε₀/μ₀)^1/2nE² (1)

其中，I为光强，n为折射率，ε₀为光速，μ₀为真空中的磁导率，E为振幅；

步骤8：燃料在常温常压的密度ρ₀、临界点的临界温度T＝T_c、临界压力p＝p_c的密度ρ_c通常是已知的，由此可以根据公式(2)计算得到燃料在不同压力下的沸点：

lgp＝A+B/T_b (2)

其中，p为压力，T_b为燃料的沸点，A、B为常数；

步骤9：燃料在沸点处的密度与压力的关系近似呈线性；

步骤10：在亚临界压力条件p<p_c下，当T<T_b时，燃料为液相，T>T_b时，燃料为气相；且燃料密度与温度的关系可以近似为线性关系；

步骤11：在超临界压力条件p>p_c下，燃料密度与温度可以根据燃料特性，采用例如多项式(7)的函数进行表达：

ρ₂(T)＝k₁T²+k₂T+k₃ (7)

其中，k₁、k₂、k₃为常数；

步骤12：根据步骤8-11，可以建立试验燃料在温度范围(T_L，T_H)、压力范围(p_L，p_H)的温度、压力、密度数据库D，其中p_L为氛围气压力，p_H为燃料在喷油器内的压力；

步骤13：依托数据库D，结合试验燃料的临界点数据(T_c、p_c、ρ_c)，确定喷雾图像中每一个像素点的亚临界液相、亚临界气相、超临界、伪沸腾物理状态，进一步可以得到喷雾各物理状态的边界。

3.根据权利要求2所述的一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的方法，其特征在于，燃料在沸点处的密度与压力的关系近似呈线性由公式(3)、(4)计算得到：

ρ_Tb-＝a₁p+b₁ (3)

ρ_Tb+＝a₂p+b₂ (4)

其中，ρ_Tb-为燃料为液相接近沸点的密度，ρ_Tb+为燃料为气相接近沸点的密度，a₁、b₁、a₂、b₂均为常数。

4.根据权利要求2所述的一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的方法，其特征在于，步骤10：在亚临界压力p<p_c条件下,当T<T_b时，燃料为液相，T>T_b时，燃料为气相；且燃料密度与温度的关系可以近似为线性关系；具体可以用公式(5)、(6)表达：

ρ₁(T)＝m₁T+n₁，T<T_b (5)

ρ₂(T)＝m₂T+n₂，T>T_b (6)

其中，m₁、n₁、m₂、n₂为常数。

5.根据权利要求2所述的一种基于纹影技术判断高温高压喷雾气液界面的方法，其特征在于，步骤13的具体过程为：

14.1)喷雾图像Image3中所有像素点的集合用U表示，U可以分为两部分：U_fuelliquid、U_fuel+gas，其中，U_fuelliquid中的物质为亚临界液态燃料，U_fuel+gas中的物质为燃料与氛围气的混合体；

14.2)根据步骤5和步骤7得到的温度和密度分布，对喷雾图像Image3中任一像素点(x_i,y_i)，满足T_i<T_c且ρ_i<ρ_c，则判定该像素点中的物质为液态的燃料，重复这一判断方法，对图像Image3中所有像素点进行判断，得到液态燃料分布的像素点集合U_fuelliquid，则U_fuel+gas＝U-U_fuelliquid；

14.3)忽略喷雾发展过程中随机因素的影响，假设喷雾沿喷嘴轴线对称，可以计算出图像Image3中集合U对应的体积V、以及集合U_fuelliquid对应的体积V_fuelliquid，则集合U_fuel+gas对应的体积V_fuel+gas＝V-V_fuelliquid；

14.4)集合U中对应的物质总质量m＝∑ρ_iv_i，其中，ρ_i为像素点(x_i,y_i)的密度、v_i为像素点(x_i,y_i)的体积，图像Image3对应的时刻，喷入容弹内燃料的质量m_fuel可以根据喷油规律计算，则，集合U中的氛围气质量、也即集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas＝m-m_fuel；

14.5)在喷雾图像Image3中，接近喷嘴处氛围气浓度最低，喷雾外围无穷远处氛围气浓度最高，集合U_fuelliquid,最外围的像素点中，氛围气浓度为0，集合U_fuel+gas最外围的像素点浓度为1，设氛围气浓度符合线性梯度，根据集合U_fuel+gas中的氛围气质量m_gas、浓度梯度，可以得到集合U_fuel+gas中每个像素点的氛围气密度ρ_igas，由ρ_i和ρ_igas，可以得到该像素点中燃料的密度ρ_ifuel，进一步，可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数ρ＝ρ(x,y)；

14.6)根据步骤12建立的数据库D、步骤14.1)-14.5)得到的喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的温度和密度，可以得到喷雾图像Image3中每个像素点中燃料的压力，进一步可以得到喷雾图像Image3中燃料的函数p＝p(x,y)；

14.7)根据建立的喷雾图像Image3中燃料的温度函数T＝T(x,y)、密度函数ρ＝ρ(x,y)、压力函数p＝p(x,y)，结合燃料的三相点和临界点，可以判断图像Image3中任一像素点的燃料物理状态，也就可以得到喷雾各物理状态区域的边界、喷雾相变速率、混合速率等特征参数。

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