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液滴颗粒的测试技术及应用

江岸
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楼主 发表于:2020-07-03 08:38:57
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液滴颗粒是自然/人工生成的雾场粒子,主要包括油雾和水雾等。雾场粒子在国民经济各部门起着越来越重要的作用。如水利、航海航空、环保、汽车/飞机等油雾燃烧、风洞实验、农用杀虫剂和除草剂、产品喷涂和干燥、材料表面处理、气体脱硫脱硝、降尘处理、食物喷雾冷冻、乃至生活中的发胶、香水等领域。

 

除自然雾场外,雾化技术是实现人工雾场的有效方式,其雾化效果一定程度上决定着应用效果好坏。此外,雾化效果的测试与评价则对雾化装置设计也至关重要。研究表明,雾化效果主要由雾场粒子的理化特性决定,因而如何准确测量雾场粒子颗粒特性对研究雾场具有重要意义。

 

雾场粒子特性主要包括粒度分布、流量(浓度)分布、速度、喷射角度、压力以及在高温环境下的温度特性等。目前主流的雾化粒子测试评价方法为光学测量法,该方法具有非接触、无扰动、高精度等优点。根据原理不同,雾化粒子的光学测量法可以分为光散射、平面结构光照明法、相位多普勒分析仪、激光全息技术、平面激光诱导荧光/Mie双光谱成像、彩虹散射技术等光学测量方法。

 

光散射

 

平行光束进入雾场会发生“光的颗粒散射”现象,在实际雾场中的散射光场测量值是众多颗粒散射光相干叠加的结果。颗粒直径不同,其散射光在焦平面的位置也不同。小颗粒产生的散射光夹角大,大颗粒产生的散射光夹角小。且散射光强度与颗粒尺寸也有关系,散射光强度可反映雾场中相同大小的颗粒所占比例。

 

平面结构光照明法

 

传统的片状激光照明成像检测技术多基于光的单次散射假设原理,但实际雾场测试中,液滴尺寸、形状和分布均比较随机,对光的散射特性比较复杂。当雾场浓度较高时,入射光需经多次散射才被最终获取,很难精准测量。而通过编码后的结构光入射光束与被测对象轮廓信息发生调制后再拍摄、解调便可获取被测物体表面信息。此外,利用带有结构光编码信息的片状光源照射雾场,使用垂直于照射面的相机进行拍摄,并通过结构光解调算法快速还原出雾场剖面分布形貌。该技术可以较好地解决3维空间中深度匹配以及被动测量精度不高等问题,抗干扰能力强、速度快、分辨率高。

 

 

相位多普勒分析仪

 

相位多普勒分析仪是一种非接触式实时光学测量方法,建立在光线透过透明球状粒子发出多重散射现象。运动粒子在入射光照射下散射产生频移,分析可求解粒子速度,利用频移相位差可求解粒径,进行综合分析还可获取喷雾流场的其它参量。该方法能够实时准确地测量出透明粒子的速度和直径信息,是一种标准液滴尺寸和速度测量光学诊断系统。

 

激光全息技术

 

激光全息技术可用于测量喷雾场内液滴粒径分布、速度分布,进行3维信息定量诊断。激光全息粒径分布测量方法首先需要获取全息图像,所采用的脉冲激光干涉方法分物光波前记录、还原以及处理等过程。记录信息中的干涉条纹灰度和间距分别表示光振幅和相位,获得粒子在不同截面处的图像并进行计算分析,借助粒子景深信息,最终可得粒子形状、直径、密度以及速度分布信息,进而获取粒子分裂、破碎、团聚规律等。

 

平面激光诱导荧光/Mie双光谱成像

 

粒径二维分布弹性/非弹性散射光测量方法为雾场的参量测量提供了新途径。该组合光学成像方法利用产生的Mie/荧光散射光强度与雾场液滴粒径二次方/三次方的比例关系,将雾场粒径信息利用光强比值进行表达,最终对Mie/PLIF散射光信号进行接收处理可得雾场粒径二维分布信息。Mie/PLIF双光谱成像技术可有效应用于喷雾场粒径信息测量,但测试区域内液滴散射效应会导致入射激光和激发荧光发生沿程衰减最终形成测量误差。

 

彩虹散射技术

 

彩虹测试方法主要分为两种:

l  标准彩虹测量技术,它利用后向散射光与反射光在区域内进行干涉形成明暗条纹测量单个液滴的粒径和折射率。条纹的间距结构信息可反演出喷雾液滴粒径分布等参量,并且折射率随着喷雾液滴密度、温度、组分而变化,因此折射率的微小变化可以较为精准地测试液滴浓度、温度和组分参量,从而实现喷雾场多参量的测量。标准彩虹测量技术易受高频纹波结构影响且对颗粒球形度异常敏感。

l  由标准彩虹技术扩展而来的全场彩虹测试技术。与标准彩虹相比,通过扩大通光孔径、增大曝光时间,多个颗粒的散射光信息进行叠加,消除单个颗粒1阶彩虹高频纹波信号,形成平滑彩虹信号。记录成数以万计符合一定粒径分布规律喷雾液滴的彩虹,进而可以反演出雾液粒的平均折射率、粒径分布、平均温度等雾场信息。

 

全场彩虹系统示意图