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前言：

与连续式喷雾不同，间歇式喷雾需依靠喷嘴“开启-保持-关闭”的连续且周期性执行，因而喷雾也同样存在“初始-发展-消散”的非定常演变过程。

由此推断间歇式空气辅助喷雾随着喷射时间的发展可能存在一定的雾化特性差异，然而当前针对该部分的研究仍不够充分。

我们以间歇式空气辅助喷雾为主要研究对象，采用高速摄影技术对喷雾形态进行拍摄，并量化得到的喷雾宏观特性随时间的演变规律。

此外，采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对不同喷射参数下的喷雾液滴进行测量，并主要对比分析了时变条件下的喷雾液滴统计学特性，喷雾场内的气相流动特性以及气、液相间的滑移速度。

试验装置与数据处理

1.1喷射系统与测试燃料

图1为空气辅助喷射系统示意。其中喷射的空气由压缩气源提供。

气体的压力由调压器内的左侧压差阀(参考压力为环境压力)稳定在0.7MPa。

经过低压油泵加压的燃油由调压器的右侧压差阀(参考压力为气体压力)稳定在0.8MPa。

气体压力和燃油压力均采用高精度数显压力表YK-100(测量误差范围为±0.2%)进行读取。

稳压后的气路与连接块内部连通，并充满喷油器出口以下空间以及气嘴内腔，从而形成高压环境。

系统工作时，单孔式喷油器首先将燃油释放到高压环境中；随后气嘴将混合的空气燃油混合流体喷出形成双流体喷雾。

喷油嘴和气嘴均由电磁驱动，并以脉冲形式工作，驱动电磁阀开启的电流波形配置以及开关时序均由ECU进行精确调控。

气嘴的几何结构如图2所示。

总体上看，气嘴主要包括磁轭、线圈、针阀、壳体、弹簧及分流器。作为主要的运动件，针阀头部为半球形，与外壳的头部形成圆环状流道。

针阀的上部套筒(与针阀焊接后成为一个整体)由磁性材料制成并在通电线圈建立的磁场中易受电磁力从而推动针阀运动，即向图示左侧运动。

弹簧会在磁场消失后作用于针阀归位，即向图示右侧运动。

工作间隙决定了针阀的最大位移，也直接决定了喷嘴的开启截面。

燃油通过分流器的中间通孔进入气嘴，而气体主要通过分流器与外壳形成的两侧空间进入气嘴，如图中箭头所示。

气嘴机械组件的三维透视如图2b所示。

试验所用燃油为正十二烷(C12H26)，其标况下的燃料密度、运动黏度和表面张力分别为748kg/m3、1.36×10-3kg/(m·s)和0.0255kg/s2。

1.2PDPA设置

图3a为相位多普勒粒子分析测试系统，其主要由PDPA、喷油系统、定容弹、控制与采集系统组成。

PDPA是一种单点式的光学测量手段，可以实现液滴速度与尺寸的同步测量。

由氩离子激光器发射的激光(波长为514.5nm)通过光导纤维传至发射器，穿过透镜和容弹的石英视窗后在容弹内形成一个椭球形测量体。

光信号接收器轴线与测量体位于同一水平平面，并与发射器的轴线呈110°，以有效捕捉一阶散射信号。测量体的空间位置由位移系统进行调节，其移动精度可达0.1mm。

喷射系统的驱动信号以及PDPA的触发信号均由ECU输出，以保证多次试验的时序统一。

在固定的工况条件下，需要重复进行多次测量以保证液滴采样率，计算得到的特性参数的最大相对误差数值不超过5%。

试验时，定容弹内的环境压力和温度分别为0.1MPa和20℃。

相同工况的液滴采样数量不低于10000，液滴的非球形容忍度设置为5%。

截取单次控制信号时序如图3b所示。

其中，To为峰值电流的驱动段，用于喷嘴的快速开启；而Tf和Ta分别为油嘴和气嘴的驱动电流保持段，以保持喷嘴处于开启状态。

Ti为油嘴关闭与气嘴打开之间的喷射间隔。

PDPA的触发信号被设置为与气嘴驱动信号同步。

触发开始后，PDPA处于工作状态并准备记录经过测量体的液滴信息。

气嘴打开以后，喷雾需要一段时间Ta才会抵达测量体。

采样循环由PDPA的采集系统自动设置，并且将触发后的时间序列按照固定时长(ΔTb＝0.5ms)划分成一系列时间格子并编号。

基于这些时间格子内捕捉的液滴信息可以进行时变微观特性对比。试验工况设置如表1所示。

其中在恒定喷气脉宽条件下，改变喷油脉宽的大小所得到的量纲为1参数统一采用油、气喷射脉宽比Δf-a来表示；而恒定喷油脉宽条件下改变喷气脉宽的大小所得到的量纲为1参数统一采用气、油喷射脉宽比Δa-f来表示，即

（1）

表1试验工况设置

1.3液滴直径与速度联合概率密度分布函数

不同于此前研究中对液滴直径与速度的分布进行单独的统计计算，采用液滴直径-速度联合概率密度函数(JPDF)对单一工况下捕捉的液滴信息进行综合评估。

当液滴经过PDPA测量体时，液滴速度u和直径D以及经过的时刻t被准确记录。

直径分布为[D-dD，D+dD]、速度分布为[u-du，u+du]的液滴，其联合概率密度函数表示液滴直径分布在dD范围，且满足液滴的瞬时速度分布在du范围的概率，因此有公式为

（2）

在对采样数据进行离散化时，dD的取值为1.0um，而du取值为2.0m/s。

对喷雾液滴数据进行处理时，首先基于时间序列可以获得液滴速度分布与直径分布，进而得到液滴速度随直径变化的分布。

最后将液滴按照其对应的JPDF数值大小进行划分并着色，得到可以直观展示液滴尺寸与速度的联合概率密度分布。

1.4气流速度的表征

在气、液两相射流研究中，通常采用小尺寸液滴(D＜5um)的速度来表征气相流动速度。

这种方法建立在小液滴自身的动力学时间尺度远小于其对于外部流动的响应时间尺度的前提下。

在研究中，笔者筛选直径小于5um的液滴作为示踪粒子，并计算其速度的平方平均值来表征测量体所处位置的气流速度ug为

（3）

式中：ui表示第i个示踪液滴的速度。

上述采用示踪粒子表征气流速度的方法在前人的研究中被广泛采用，并被认为是间接获取连续相流动速度的有效手段，关于该方法的验证根据研究表明。

在改变喷油脉宽和喷气脉宽时，PDPA的采样位置被固定在喷雾轴线Z＝40mm处。

主要关注的喷雾特性参数包括液滴直径与速度JPDF、液滴的索特平均直径(SMD)与平均速度um、气体流动速度ug以及气、液之间的平均滑移速度uslip，即

（4）

式中：j表示第j个采样液滴；um为液滴平均速度，表示所有采样液滴的动量总和等于假设所有采样液滴均为um时计算得到的液滴动量之和；u-为捕获液滴的算术平均速度。

研究结果与分析

2.1喷雾形态与宏观特性

喷雾的宏观形态随喷射时间的变化采用高速相机进行拍摄得到。

将高速相机(Phantomv7.3)的拍摄速率设置为10000幅/s，得到的图像分辨率大小为512×512像素。

相同工况下对多次喷射得到的喷雾图像进行捕捉，图4为选取的一组喷雾宏观图像随时间的演变过程。

较小的油、气喷射脉宽比有助于加快喷雾在轴向的发展，而不利于喷雾在径向的扩散。

随着油、气喷射脉宽比的增加，喷雾的径向扩散增强而轴向贯穿逐渐减弱。

基于Matlab的图像批处理程序对多次喷射的喷雾原始图像进行后处理，可得到喷雾贯穿距和喷雾投影面积，如图5所示。

发现油、气喷射脉宽比的增加会显著降低相同时刻喷雾的轴向贯穿距，而容弹的可视范围极限为77mm，喷雾轴向贯穿距达到该值表明此时喷雾形态已经到达容弹视窗底部。

喷雾投影面积大小随喷射时间的变化结果表明，当喷射时间小于3ms时，不同油、气喷射脉宽比下的喷雾投影面积差异较小。

这是因为虽然较大的油、气喷射脉宽比得到的喷雾轴向贯穿距较小，但此时喷雾的径向扩散较为明显，由此弥补了喷雾轴向扩散的不足。

当喷射时间大于3ms时，Δf-a＝8对应的喷雾投影面积的递增趋势明显大于其他油、气喷射脉宽比条件。

这是因为喷雾到达容弹视窗底部后，喷雾轴向扩散对喷雾投影面积的影响已经达到极限。

此时喷雾的径向扩散将对喷雾投影面积起主导作用。

2.2油、气喷射脉宽比的影响

图6为不同油、气喷射脉宽比下液滴尺寸-速度JPDF随着采样时间的变化。

随着Δf-a从1逐渐增加到4，液滴直径的分布范围逐渐从0～25um增加到0～40um；而液滴速度的分布范围则从0～150m/s逐渐降低至0～100m/s。

随着Δf-a的进一步增加，液滴直径的分布范围不会出现明显改变，而液滴速度的范围会进一步降低至0～60m/s。

上述数据趋势对于不同采样间隔(时间格子)都基本相同，表明喷油持续时间的降低会导致实际用于喷射的油、气混合工质中的燃油含量降低。

在相同的气嘴开始时长下，产生的喷雾中液体的体积分数较小。

此时，气体射流不易受到工质中液体的影响从而形成高速射流；同时，液体在高速气流作用下所受到的较强空气动力学作用力会极大促进雾化，进而产生更小尺寸的液滴。

而上述效果会随着喷油量的增加而逐渐减弱，并主要表现在大尺寸液滴的出现以及液滴速度的降低。

液滴速度与直径的JPDF基本上呈现较为明显的单峰分布规律，即JPDF的峰值出现在uD分布的单一区域。

从结果上看，JPDF均分布在0＜D＜10um且不受Δf-a的影响。从触发时间的角度出发，可以发现对于Δf-a＝1工况来说，液滴直径的分布范围随着触发时间会稍有增加，而液滴速度范围会明显降低。

对于Δf-a≥4的工况，液滴直径和速度的分布总体上不受触发时间的影响。这是因为较低的喷油持续脉宽及其本质上产生的较低喷油量会导致喷雾过程在较短的时间内完成；而较大的喷油持续时间会显著延长喷雾过程。因此，在选定的时间格子内均可以捕捉到以稳定速度和尺度运动的液滴。

基于分布规律可进一步计算得到液滴平均速度以及平均直径。

图7a为不同Δf-a工况下液滴的索特平均直径随着采样时间的变化。

在Ta后的最初3个时间格子内，不同Δf-a下的SMD差别最大，且SMD随着Δf-a的增加而增大，随着采样时间的增大，不同Δf-a间液滴SMD的差异逐渐减小。

此结果表明，喷油持续时间对于雾化效果的影响主要体现在喷雾头部，也就是喷雾在抵达测量体后的最初3个时间格子(时间格子1～3)内。

图7b为基于采样液滴动量总量一致得到的液滴平均速度。

在喷雾液滴的采样时间内，um随着Δf-a的增加呈单调递减的趋势，表明喷油脉宽与喷雾中燃油含量的正相关性会最终对雾化液滴的平均速度产生消极影响。

由于该空气辅助喷射系统的燃油优先喷射原则，实际喷雾中的液滴动能主要来源于气体射流以及气、液间的动量交换。

喷油量的增加会使单位质量的液滴所能获得的动量降低，因而造成液滴um的降低。

同时，由于Δf-a导致的um差异在不同采样时间内呈现非单调的变化，这是由于Δf-a为1和2工况下喷雾过程较明显的时变脉动所导致。

图8a为不同油、气喷射脉宽比下的气流速度。

可以发现ug会随着Δf-a的增加而显著降低；而随着Δf-a的增加，气流速度随时间的变化会依次经历递减、恒定以及递增的变化趋势。

其中，Δf-a为1和2时的气流速度随时间的递减趋势最明显，Δf-a为4工况次之；Δf-a为6及8的气流速度几乎不依赖于采样时间；当油、气喷射脉宽比继续增加至10时，气流速度随时间开始呈递增趋势。

图8b为不同油、气喷射脉宽比下气、液相间平均滑移速度。该参数可用来表征气相和液相之间的相对速度；Δf-a为1和2时的滑移速度为正值，表明液滴平均速度大于周围气流速度。

而Δf-a为4和6时的滑移速度基本接近0。随着Δf-a的进一步增加，滑移速度变为负值。忽略时变下的数据变化，不同Δf-a下的相间平均滑移速度不依赖于采样时间。

2.3气、油喷射脉宽比的影响

图9为不同气、油喷射脉宽比下的时变液滴尺寸-速度JPDF。

气、油喷射脉宽比对液滴直径的分布范围没有明显的影响。

不同Δa-f下，不同采样时间内捕获的液滴直径基本分布在0～40um；而速度范围随着Δa-f的增加可见少量的增加。

JPDF的峰值来看，不同Δa-f及采样时间下液滴尺寸-速度联合分布依然表现出单峰特征。

从时变角度的对比可知，Δa-f≤0.125时，时间格子6采集的液滴数量明显减少，这是由于气嘴的关闭导致；而当Δa-f＞0.125时，液滴速度及分布范围的峰值位置随着喷射时间先降低(时间格子1～2)而后又逐渐增加(时间格子3～6)。

这表明在相同喷油脉宽条件下，喷气脉宽的进一步增加导致喷雾后期的液滴被加速。

这是因为在喷雾后期，大量的燃油集中在喷雾头部并已经经过PDPA的测量体；而喷雾后期经过测量体的燃油含量相对较低，而气嘴依然保持开启状态，更多的压缩空气被喷射。由此导致充足气体射流很容易对喷雾尾部的液滴产生进一步加速作用。

图10a表明气、油喷射脉宽比对于液滴的SMD影响较小，但仍然可以看到SMD随着Δa-f的增加而减小的趋势。

这说明喷气脉宽的增加所引起的实际喷雾中气体含量的增加会适当促进雾化。

从采样时间来看，液滴的SMD随着喷雾经过测量体的时间会有轻微的升高。

而且这一趋势对于Δa-f≥0.250的工况更加明显。这说明脉宽增加导致的气流对液滴产生的加速作用会促进液滴的相互碰撞，进而小液滴趋于合并成更大液滴。

基于液滴动量总和一致的平均速度um如图10b所示。

可以看到um与Δa-f之间存在的明显正相关性，即喷气脉宽的增加会提高液滴的平均速度。

而且该结果在喷雾后期会随着时间格子的增加而表现的更加明显。

图11a为不同气、油喷射脉宽比下气流速度随时间的变化。对于工况Δa-f≤0.250，由于气嘴的过早关闭，气体速度随着时间的增加逐渐降低。

当Δa-f进一步增大时，由于气嘴的保持开启状态以及液体含量的降低，可以看到喷雾后期(时间格子3～6)的气流速度逐渐升高的趋势逐渐明显。

图11b为不同气、油喷射脉宽比下气、液相间滑移速度随时间的变化。

与Δa-f对于uslip的影响所不同的是，不同气、油喷射脉宽比下的uslip既受到Δa-f的影响，也随采样时间的变化而表现出差异。

喷雾头部的uslip随着Δa-f的增加而增大，且均小于0。

随着喷雾进一步经过测量体，uslip出现小幅度超调(uslip＞0)，并随后逐渐降低至0。

2.4采样位置的影响

选择喷雾轴线上的两个采样位置，计算时变下的液滴尺寸-速度JPDF，如图12所示。随着采样位置从30mm增加到60mm，时间格子的液滴速度分布范围从0～120m/s降至0～90m/s。

而其他采样时间间隔内的液滴速度也有同样的降低趋势。

相同的采样位置下，液滴速度范围随着时间的增加均降低。

液滴直径分布结果表明，不同采样位置以及采样时间对于液滴直径分布范围影响较小。

从液滴尺寸-速度JPDF来看，不同采样位置同样呈现明显的单峰分布特征。

图13为喷雾SMD在空间的分布。

其中，Z表示轴向采样位置，X表示径向采样位置。选取两组油、气喷射脉宽比工况条件用于数据展示，且只考虑喷雾在一侧平面内不同空间位置的SMD分布。

由于喷雾形态总体呈现圆锥状，在喷雾边缘以外较大的径向位置处无法捕捉到有效的液滴信息。

因此，只统计并计算喷雾内部核心区域的液滴直径。

结果表明喷雾靠近喷嘴出口的区域的液滴SMD较大，并随着轴向位置的增加而逐渐减小。

靠近喷雾轴线区域的液滴SMD明显高于喷雾外侧的边缘区域。

油、气喷射脉宽比的增加会在一定程度上增大液滴的SMD，这主要是因为喷射工质中液相体积分数的增加会对雾化效果产生一定的抑制作用。

图14为不同采样位置的液滴SMD与平均速度随采样时间的变化。

在Z＝60mm的采样位置，液滴的SMD稳定在20um；而在Z＝30mm时，不同采样时间间隔内的液滴SMD均低于20um。

这表明在一定范围内，喷雾在远离喷嘴位置的液滴平均直径会大于靠近喷嘴的位置。

该现象与此前关于空气辅助喷雾的雾化特性研究结果相一致。

该结果主要由于喷雾场内液滴的碰撞以及较高的液滴融合概率导致。

对比不同采样位置的液滴平均速度可以发现，靠近喷嘴的位置液滴速度明显高于远离喷嘴的位置；而且该速度差异在初始采样时间间隔内较为明显，并随着时间格子的增加而减小。

图15a为气流速度的差异。

不同采样位置的速度差异主要体现在时间格子1～5内；且靠近喷嘴的位置气流速度更大。

表明相同的工况下，喷雾过程中喷雾轴线上的气流速度随着轴线距离的增加而降低。

图15b为计算相间的滑移速度得到不同采样位置下的时变结果。

从数据趋势上看，Z＝30mm的uslip小于0，并随时间逐渐增加；而Z＝60mm的slipu大于0，并随时间逐渐减小。

对数据进行线性拟合的结果如图中的直线所示。

计算Z＝30mm和Z＝60mm拟合直线的横截距分别为8.5和5.2。

只考虑时间格子小于5的采样时间范围，可知Z＝30mm的气流速度大于液滴平均速度，而Z＝60mm正好相反。

2.5相间滑移速度分析

Lasheras等在研究中根据相间滑移速度大小对气、液两相射流沿着轴线方向进行区域划分为液滴加速区、超调区及减速区，如图16所示。

从喷嘴出口开始，uslip先小于0；此时气相速度大于液相速度，液滴处于被周围气流加速的过程。

直到在某一位置时，uslip＝0；此时气、液相间速度达到平衡，但是该平衡难以保持稳定。

之后，液滴由于运动的惯性造成其速度会瞬间超过气流速度，导致uslip＞0；此时，超调的液滴会受到周围气流的曳力作用。

当达到最大值以后，uslip会逐渐减小直至接近0；此时液滴在气流曳力作用下逐渐减速。

根据图15b的结果可知，在所关注的采样时间范围内，Z＝30mm的uslip小于0而Z＝60mm的uslip大于0，可以认为uslip＝0对应的Zuslip=0位于30mm和60mm之间。

而对于变喷油脉宽和喷气脉宽的试验，选取的测量位置(Z＝40mm)将较为接近Zuslip=0。

根据图8b所示的不同油、气喷射脉宽比下平均滑移速度可知，不同Δf-a下的uslip数值仅受Δf-a的影响而不受采样时间的影响。

当Δf-a≈4时，uslip相对稳定在0值附近。因此，可以认为当Δf-a＝4时，Zuslip=0≈40mm。当Δf-a小于4时，uslip大于0，说明此时的Zuslip=0小于当前设定的采样位置Z＝40mm；而Δf-a大于4时，uslip小于0，说明此时Zuslip=0大于当前设定的采样位置Z＝40mm。

上述结果表明Zuslip=0随着Δf-a的增加会向远离喷嘴的方向移动，如图16右侧所示。

结论

采用高速相机和相位多普勒测试技术对间歇式空气辅助喷雾特性展开了试验，基于PDPA对间歇式空气辅助喷雾进行循环采样，将得到的时序条件下的数据按照不同的时间格子进行划分，进而表征间歇式喷雾特性随时间的变化规律。

主要结论包括：

(1)较小的油、气喷射脉宽比有助于加快喷雾在轴向的发展，而不利于喷雾在径向的扩散；随着油、气喷射脉宽比的增加，喷雾的径向扩散增强而轴向贯穿逐渐减弱；计算不同喷射参数以及采样位置的液滴尺寸-速度联合概率密度函数，结果均表现为明显的单峰分布特征。

(2)油、气喷射脉宽比增加明显降低液滴速度并增大液滴直径，而气、油喷射脉宽比对于喷雾末端的液滴具有明显的加速作用；油、气喷射脉宽比主要影响气、液相间的平均滑移速度大小，表现为油、气喷射脉宽比的增加导致滑移速度的零点位置向喷雾下游移动；气、油喷射脉宽比不仅对相间平均滑移速度的数值有影响，而且影响其时变条件下的变化规律。