基于相位多普勒技術(shù)的液體燃料霧化特性測試方法GB/T42680—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4測試原理 35測試設備 46測試條件 67測試步驟 68數(shù)據(jù)處理 79測試記錄 8附錄A(資料性)測試記錄格式 9參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由全國燃燒節(jié)能凈化標準化技術(shù)委員會(SAC/TC441)提出并歸口。本文件起草單位：北京理工大學、中徽機電科技股份有限公司、清華大學、西南科技大學、濰柴動力股份有限公司、中國科學院工程熱物理研究所、安徽江淮汽車集團股份有限公司、湖南華菱漣源鋼鐵有限公司、安徽省特種設備檢測院、北京麥迪光流測控技術(shù)有限公司、廣西銀翼動力科技有限公司、上海交通大學、重慶長安汽車股份有限公司、安徽全柴動力股份有限公司、浣江實驗室、中國科學技術(shù)大學、安徽省鳳形新材料科技有限公司、博瑞特熱能設備股份有限公司。1基于相位多普勒技術(shù)的液體燃料霧化特性測試方法本文件描述了基于相位多普勒技術(shù)進行液體燃料霧化特性測試的方法，包括測試原理、測試設備、本文件適用于液體燃料霧化特性的測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T41770—2022基于背光成像技術(shù)的液體燃料噴射特性測試方法3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。用于表征液體燃料噴射破碎后形成的液滴的微觀特征參數(shù)。注：包括液滴速度、液滴直徑。液滴速度dropletvelocity液體燃料噴射破碎后形成的液滴的速度。液體燃料噴射破碎后形成的液滴的直徑。多普勒效應Dopplereffect波源和觀察者做相對運動時，觀察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象。相位多普勒分析儀phaseDoppleranalyzer;PDA利用多普勒效應，同時測試液滴速度和液滴直徑的測試系統(tǒng)。測量體probevolume相位多普勒分析儀中，多束激光交匯處所形成的測試空間。2多普勒脈沖信號Dopplerburstsignal運動液滴經(jīng)過測量體時，散射出呈高斯分布形態(tài)的周期性變化的光信號。多普勒頻率Dopplerfrequency運動液滴散射光的頻率與原始入射激光頻率之差。測試位置probeposition相位多普勒分析儀中，測量體的中心位于測試坐標系的坐標位置。平均直徑meandiameterD??液滴直徑的算術(shù)平均值，即參與統(tǒng)計的液滴直徑之和除以液滴數(shù)量。索特平均直徑SautermeandiameterD??參與統(tǒng)計的液滴直徑的立方和與平方和之比。注：D?按公式(2)計算：3.1010%體積分數(shù)直徑10%fractionalvolumediameter參與統(tǒng)計的液滴中，液滴體積分布的累積函數(shù)為0.1時所對應的液滴直徑。Dvo?=Q?1(0.1)…………(3Q?——體積分布的累積函數(shù)，由GB/T15445.1—2008中的5.2確定。3.1150%體積分數(shù)直徑50%fractionalvolumediameter參與統(tǒng)計的液滴中，液滴體積分布的累積函數(shù)為0.5時所對應的液滴直徑。注：體積分數(shù)Dvos按公式(4)計算：Dvs=Qa1(0.5)…………(4)3.1290%體積分數(shù)直徑90%fractionalvolumediameter參與統(tǒng)計的液滴中，液滴體積分布的累積函數(shù)為0.9時所對應的液滴直徑。注：體積分數(shù)Dvog按公式(5)計算：3Dvo.g=Q?1(0.9)………平均速度meanvelocity速度的算術(shù)平均值，即參與統(tǒng)計的液滴速度瞬時值之和與液滴數(shù)量的比值。均方根速度rootmeansquarevelocity參與統(tǒng)計的液滴速度瞬時值的平方和與液滴數(shù)量的比值的平方根。速度湍流度velocityturbulenceintensity參與統(tǒng)計的液滴速度瞬時值的標準差與平均速度的比值。數(shù)據(jù)率datarate信號處理器每秒獲得的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。有效率validationratio信號處理器獲得的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量占原始數(shù)據(jù)數(shù)量的百分比。4測試原理測試原理如圖1所示。激光發(fā)射探頭發(fā)射兩束激光，為了判斷液滴速度分量的方向，兩束激光的頻率不相同，頻率較低的激光稱為非頻移激光，頻率較高的激光稱為頻移激光，由于頻差對波長的影響較小，波長的變化可以忽略。兩束激光交匯于一點形成測量體，因為兩束激光相干，所以在測量體處產(chǎn)生明暗相間的滾動干涉條紋。液滴經(jīng)過測量體時，產(chǎn)生多普勒效應，干涉條紋的存在導致液滴散射光的光強發(fā)生周期性變化。光電檢測器接收到散射光信號后將其轉(zhuǎn)換為多普勒脈沖信號，其頻率(多普勒頻率)與液滴速度相關(guān)，多個光電檢測器接收到的多普勒脈沖信號之間的相位差與液滴直徑相關(guān)。標引序號說明：1——激光發(fā)射探頭；3——光電檢測器；φ——信號接收探頭軸線與激光發(fā)射探頭軸線正向的夾角ψ——光電檢測器與測量體中心連線的夾角。圖1測試原理示意圖4GB/T42680—2023將兩束入射激光所構(gòu)成的平面定義為激光平面。通過入射激光相交的銳角平分線并與激光平面相垂直的平面為散射平面。液滴的速度分量為U,其方向垂直于散射平面，正向由激光發(fā)射探頭出口位置處非頻移激光指向頻移激光，反之為負，液滴速度分量按公式(6)計算：……(6)式中：U——液滴速度分量，單位為米每秒(m/s);λ——入射激光波長，單位為米(m);fo——多普勒頻率，單位為赫茲(Hz)。處于不同空間位置的光電檢測器接收的多普勒脈沖信號存在相位差。根據(jù)相位差直接測出液滴直徑。光電檢測器接收到的多普勒脈沖信號的相位按公式(7)計算：式中：φ——多普勒脈沖信號的相位；…………β——幾何因子。幾何因子(β)取決于散射模式、液滴和空氣之間的相對折射率和三個角度，散射模式包括：液滴外表面的反射、通過液滴的折射(一階折射)和一次內(nèi)反射的折射(二階折射);角度0、φ和ψ的定義如圖1所示。激光發(fā)射探頭與信號接收探頭各自軸線布置在散射平面內(nèi)，且均指向測量體中心，信號接收探頭內(nèi)光電檢測器按照豎直方向排列。光電檢測器i和光電檢測器j接收的多普勒脈沖信號的相位差(φ;)按公式(8)計算：式中：φ;;——光電檢測器iφ;——光電檢測器jφ;——光電檢測器iβ;——光電檢測器jβ;——光電檢測器i…和光電檢測器j接收的多普勒脈沖信號的相位差；的多普勒脈沖信號的相位；的多普勒脈沖信號的相位；的幾何因子；的幾何因子。由公式(8)可知，液滴直徑和2π周期內(nèi)的相位差之間存在線性關(guān)系，根據(jù)該相位差即可計算液滴5測試設備5.1液體燃料霧化特性測試系統(tǒng)5.1.1測試系統(tǒng)組成測試系統(tǒng)由液體燃料噴射系統(tǒng)、PDA和同步控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。激光由發(fā)射探頭發(fā)射并在霧束中交匯于一點形成測量體。液滴經(jīng)過測量體散射的光信號由信號接收探頭收集，并傳輸至信號處理器，得到液滴速度和液滴直徑信息。當測試間斷噴射時，由同步控制系統(tǒng)發(fā)出的信號觸發(fā)PDA與噴射進行同步。噴油器的噴射壓力由加壓裝置提供，并由同步控制系統(tǒng)驅(qū)動，計算機為操作端與數(shù)據(jù)存儲設備。5標引序號說明：1——激光發(fā)射探頭；2——霧束；3——激光器及分光光路；4——測量體；5——信號接收探頭；6——信號處理器；7——計算機；8——同步控制系統(tǒng)；9——噴油器；10——加壓裝置；11——液體燃料箱。圖2液體燃料霧化特性測試系統(tǒng)示意圖5.1.2液體燃料噴射系統(tǒng)液體燃料噴射系統(tǒng)按GB/T41770—2022中4.3的規(guī)定執(zhí)行。參考圖2所示，來自激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過分光光路將每個波長的激光分為兩束，通過光纖或反射鏡進入激光發(fā)射探頭，經(jīng)過前置透鏡交匯于一點形成測量體。液滴經(jīng)過測量體散射的光信號由信號接收探頭收集，在光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，進入信號處理器后，根據(jù)相位多普勒原理識別液滴速度和液滴直徑，并回傳至計算機。同步控制系統(tǒng)用于控制液體燃料噴射系統(tǒng)、PDA等測試設備的工作時序。5.2測試環(huán)境開放環(huán)境按照GB/T41770—2022中4.2.1的規(guī)定執(zhí)行。受限環(huán)境如圖3所示，容器內(nèi)部環(huán)境壓力和環(huán)境溫度可以根據(jù)測試要求進行調(diào)節(jié)，環(huán)境壓力小于容6器最高允許工作壓力。宜采用多視窗結(jié)構(gòu)，其四周應至少安裝兩塊光學觀察視窗，相互之間夾角宜為110°,最大不超過150°,用于布置發(fā)射器和接收器。標引序號說明：1——激光發(fā)射探頭；2——信號接收探頭；3——容器；4——光學視窗。圖3受限環(huán)境示意圖6測試條件測試條件按照GB/T7測試步驟41770—2022中第5章的規(guī)定執(zhí)行。7.1布置安裝測試設備布置安裝液體燃料噴射系統(tǒng)、PDA,同時標記噴嘴周向安裝位置并記錄其坐標位置。7.2.1光學系統(tǒng)配置輸入激光發(fā)射探頭、信號接收探頭的口徑、工作距離等參數(shù)。對于具有較高液滴數(shù)量濃度的噴射，宜選擇更大口徑和更短工作距離的激光發(fā)射探頭。7.2.2激光功率調(diào)節(jié)進行測試前，應確保激光功率進行合理優(yōu)化，如逐步提高激光輸出功率，檢查并優(yōu)化光纖耦合效率等。激光功率的選擇應能滿足對液滴群的穿透，穿透效果通過多個周期疊加的“噴油時刻-液滴速度”變化曲線是否連貫進行評估。在系統(tǒng)中輸入待測液體燃料的折射率和接收探頭的接收角，并根據(jù)實際測試條件選擇散射光模式。7.2.4初步調(diào)節(jié)在噴霧場中放置加濕器，在系統(tǒng)中設置速度范圍使其覆蓋實際待測對象的速度范圍，通過連續(xù)穩(wěn)定7的產(chǎn)生液滴群對PDA信號接收探頭的俯仰/旋轉(zhuǎn)接收角度及聚焦效果進行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的數(shù)據(jù)率及不低于80%的有效率。7.3容器加壓若需要測試高壓環(huán)境中的液體燃料霧化特性，則應在受限環(huán)境中加壓測試。加壓后由于環(huán)境密度發(fā)生改變，應通過噴油器進行液體燃料噴射進一步優(yōu)化信號接收探頭的俯仰/旋轉(zhuǎn)接收角度及聚焦效果。7.4調(diào)試噴射控制參數(shù)調(diào)試噴油器各項噴射控制參數(shù)，檢查同步控制信號，確定液體燃料噴射系統(tǒng)和PDA同步工作。7.5PDA精細化調(diào)節(jié)將測量體放置于待測霧束區(qū)域內(nèi)，在系統(tǒng)中設置速度范圍使其覆蓋實際待測對象的速度范圍，使用之前設置的該位置的儀器參數(shù)進行實際數(shù)據(jù)采集。7.5.2.1將測量體放置于噴油嘴孔軸線下游，在系統(tǒng)中設置速度范圍使其覆蓋實際待測對象的速度范圍，通過改變發(fā)送至PDA的同步信號延時及脈寬，設置采集時刻僅覆蓋整個噴射過程中速度最高的部分，基于此觸發(fā)信號檢查此時采集到的多普勒信號波形，并通過改變信號接收探頭的空間分辨狹縫/針7.5.2.2改變發(fā)送至PDA的同步信號延時及脈寬，設置采集時刻覆蓋整個噴射過程，并適當延長2ms～4ms,確?？梢越邮胀暾囊旱瓮ㄟ^測量體時的信號變化，采集50次～100次噴油循環(huán)，通過采集到的數(shù)據(jù)，確認液滴團通過時可以獲得連續(xù)變化的液滴速度和液滴直徑信息。7.6噴射循環(huán)現(xiàn)象分析在系統(tǒng)設置中將每次噴射起始時刻對齊進行數(shù)據(jù)整理，將每次噴射過程的數(shù)據(jù)細分為100個～200個數(shù)據(jù)組，獲得隨噴射時間歷程的各組平均速度及平均直徑變化曲線。為確保測試數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計意義及較高可信度，將測量體移至測試位置。測量體宜距噴油嘴孔出口一定距離，并能獲得連續(xù)變化的“噴油時刻-液滴速度”曲線，避免液滴數(shù)量濃度高或者液滴畸變而影響測試結(jié)果。典型數(shù)據(jù)采集不少于100次噴油循環(huán)，如無法獲得連續(xù)變化的“噴油時刻-液滴速度”曲線，可繼續(xù)提高噴油循環(huán)采集次數(shù)。7.8記錄數(shù)據(jù)記錄測試相關(guān)參數(shù)，保存數(shù)據(jù)，然后進行下一個測試位置的測試。8數(shù)據(jù)處理根據(jù)原始數(shù)據(jù)，分別計算出液滴速度及液滴直徑的統(tǒng)計結(jié)果，包括平均速度、均方根速度、速度湍流8滴速度、液滴直徑分布