航空煤油霧化特性實驗研究.pdf

1、液體燃料噴霧是發(fā)動機兩相燃燒的基礎(chǔ),噴霧的宏觀特征(如貫穿長度、噴霧錐角、噴霧投影面積、環(huán)境氣體卷吸量及噴霧擴散速度等)與微觀特征(如液滴顆粒直徑、液滴顆粒直徑分布和液滴顆粒速度等),對于燃燒室內(nèi)的質(zhì)量、組分的分布、溫度場分布、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,同時也可作為活塞式直噴發(fā)動機的燃料,或作為替代燃料用于柴油發(fā)動機中。作為一種液體燃料,航空煤油在發(fā)動機中的燃燒要經(jīng)歷管道內(nèi)部流動、初級破

2、碎與次級破碎,破碎為細小液滴顆粒與環(huán)境氣體混合后進而發(fā)生燃燒,因此,航空煤油噴霧過程是研究航空發(fā)動機燃燒室、液體火箭推力燃燒室以及發(fā)動機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程的實驗臺:該實驗臺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,以及輔助測量設(shè)備。此外,為研究環(huán)境溫度對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。該實驗臺采用高速攝影儀連續(xù)拍攝噴霧過程,所記錄的實驗圖像可作為進一步分析的依據(jù)。
　　(2)完成了航空煤油噴霧實驗原始圖像的宏觀特征值檢測算法及計算程序:常溫環(huán)境下獲得的實驗圖像不包含隨時間變化的背景噪聲,在高溫環(huán)境中獲得的實驗圖像則包含了大量隨時間變化的背景噪聲,分別采用BEG(Background-Edge detection-Gray tolerent)和BEGU(Ba

4、ckground-Edge detection-Gray tolerent-Union)算法來生成臨時圖像,用于檢測航空煤油噴霧的宏觀特征。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驗圖像進行逐點灰度對比,通過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)的臨時圖像。在臨時圖像基礎(chǔ)上,根據(jù)各種宏觀特征的定義,采用相應(yīng)的檢測算法計算宏觀特征(如貫穿長度、噴霧投影面積、三種不同定義的霧化錐角、噴霧擴散速度等)。在以上算法的基礎(chǔ)上,使用Pascal語言開發(fā)了兩版核心算法,分別檢測常溫環(huán)境下的紋影實驗圖像和不同環(huán)境溫度環(huán)境下的紋影實驗圖像中的宏觀特征,開發(fā)了名為“Schlier

6、en紋影高速攝影實驗圖像處理”的計算程序,該程序可根據(jù)實驗圖像計算出貫穿長度、噴霧投影面積、三種不同定義的霧化錐角、噴霧擴散速度等宏觀特征。本實驗中所有實驗圖像均采用此程序來處理和分析。
　　(3)完成了常溫(300K)環(huán)境下航空煤油噴霧的實驗:在常溫環(huán)境下進行了航空煤油噴霧霧化實驗,在實驗過程中航空煤油和環(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80

7、個不同工況進行實驗研究,其中有5個工況進行了重復(fù)實驗。為測量貫穿長度的可重復(fù)度,對每個工況分別重復(fù)了10次。分析發(fā)現(xiàn),在常溫環(huán)境下,在噴霧開始0.2ms之后,航空煤油噴霧貫穿長度的可重復(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度修正模型,并由實驗進行了驗證,發(fā)現(xiàn)該修正模型的預(yù)測精度較廣安博之模型和Dent模型高。此外,基于實驗數(shù)據(jù)分析了噴霧投影面積、霧化錐角、噴霧擴散速度和空氣卷吸量等宏觀特性參數(shù)。
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8、)進行了不同環(huán)境溫度下航空煤油噴霧實驗: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30個工況進行了實驗研究,對其中5個工況進行了重復(fù)實驗。為測量高溫環(huán)境中貫穿長度的可重復(fù)度,每個重復(fù)實驗工況進行了10-20次實驗。分析發(fā)現(xiàn),與常溫環(huán)境中的航空煤油噴霧實驗相比,高溫環(huán)境中航空煤油噴霧實驗貫穿長度的可重復(fù)度下降,在0.5ms之后達到±10％。在D