0   引　言

高海拔环境下的燃烧稳定性与可靠再点火是航空发动机燃烧室重要的性能指标^[1]，其中燃油喷嘴雾化特性对点火与稳燃具有关键作用。在喷嘴近场发生燃油液滴一次至二次破碎过程，浓雾场内液相结构与粒径空间分布决定下游稀相雾化场的发展^[2]。航空煤油温度降至–30 ℃时，表面张力及运动黏度增大^[3]，对雾化过程产生显著影响。这些因素易造成低温燃油条件下航空发动机冷启动或高空熄火再点火成功率降低。同时，低温下煤油的雾化粒径增大，易导致燃烧恶化。因此，开展高海拔低油温工况下近喷嘴雾化场实验测试，掌握喷嘴出口处的雾化形态及液滴颗粒信息，对喷嘴雾化规律研究及结构设计优化具有指导意义。

喷嘴雾化特性主要由穿透深度、雾化锥角、液滴索特平均直径（Sauter Mean Diameter，SMD）、液滴均匀度等参数衡量。针对下游稀相雾化场，发展了一系列较为成熟的光学测试技术^[4-16]。喷雾外部形态如穿透深度、雾化锥角等可由米氏散射技术、阴影法与纹影法进行成像与测量^[4-6]。喷雾气液两相体积、质量分布定量测量通常采用平面激光诱导荧光方法^[7-10]，尤其是在伴有蒸发现象的燃烧场景中。喷雾液滴粒径、速度和浓度的同时测量可采用相位多普勒粒子分析仪、平面激光测径与平面米氏散射、激光诱导荧光耦合等技术实现^[11-16]。液滴粒径、组分和温度的同时测量可采用彩虹折射仪^[17]，彩虹折射仪与相位多普勒分析仪都对液滴的球形度有一定要求，且彩虹术对温度梯度参数较为敏感^[18-19]。针对近喷嘴浓相雾化场的光学测试研究难度较大，该区域存在动态的多相流^[2]，在喷嘴出口存在非球形液滴及瞬态非轴对称的液膜、液丝结构，喷雾浓度高且雾化结构复杂，这些特征在低油温工况下更为突出，使得上述光学测量方法难以实施。目前，对浓雾场中包裹于液滴群内的完整液体结构及其一次破碎过程高分辨成像可采用弹道光技术、结构光照射平面成像技术或X射线成像术实现^{[2, 20-21]}。

近年来，数字全息技术发展迅速，已成为离散微小颗粒三维测量的有效手段。数字全息可实现雾化场各截面位置的清晰成像，记录非球形液滴等液相结构，获取液滴粒径与三维位置信息，多应用于液滴破碎实验、喷嘴雾化测试等^[22-24]。其中，离轴全息能够消除全息图中孪生像的干扰，得到与原物衬度相同的像^[25]，适应近喷嘴强散射环境。皮秒脉冲激光离轴全息可实现航空发动机燃油喷嘴近场的三维雾化测试^[26-27]，通过进一步减小激光脉宽，飞秒脉冲激光离轴全息可应用于光密度更高的场景，例如对内燃机中高压柴油喷嘴近场包裹于密集液滴群内的大液滴与液丝实现清晰成像^[28-29]。前人研究表明离轴全息技术是测量近喷嘴三维雾化参数的有效实验手段。

本文使用25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统对某型气液同轴油杯式雾化喷嘴下游30 mm内的近场三维雾化参数开展定量研究。搭建了基于皮秒脉冲激光离轴全息的RP-3航空煤油雾化测试实验平台。在油压0.03 MPa、气压1 kPa下，测试了油温分别为28、–20、–40 ℃三组工况的近场雾化特性，获取了含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰成像、液相结构破碎雾化动态过程以及离散液滴粒径与三维分布信息，为该型喷嘴性能评估及改进设计提供了依据。

1   实验方案与数据处理

1.1   实验方案

实验测试在脉冲激光离轴全息雾化测试平台上进行。实验系统主要由油气供给系统和光学测试系统组成，如图1所示。实验用喷嘴为某型气液同轴油杯式雾化喷嘴，固定于线性电动位移台上竖直向下喷雾。以喷嘴出口为y=0平面，水平方向为x方向，垂直方向为y方向，相机靶面与喷雾景深距离为z方向。实验用油为3号航空煤油RP-3，20 ℃时运动黏度为1.814 mm²/s，表面张力为0.0245 N/m。

图  1  航空煤油RP-3雾化场脉冲激光离轴全息测试系统示意图

Fig.  1  Experimental setup of pulsed laser off-axis holographic imaging system for atomization measurement of RP-3

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油气供给系统由气路与油路组成。气路系统中，空气经空气压缩机升压、过滤器净化后进入喷嘴腔体，使用并联的减压阀与针阀对空气压力分别进行粗细调节，并以腔内的压力表记录实时气压值。油路系统中，伺服电机带动齿轮计量泵，将煤油从油箱依次输送至油水分离过滤器、制冷系统，经过温度、压力传感器后进入喷嘴。煤油温度由制冷机进行PID动态控制。在低温工况实验中，采用回油式供油方案，即加大低温煤油在主油路中的流量以使油温降至–40 ℃，通过调节回油支路针阀开度，控制煤油进入喷嘴的压力。

光学测试系统主要包含脉冲激光器、空间滤波与扩束系统、分束立方、相干调制系统、信号同步器以及成像系统。经过系统标定，成像系统的等效像素宽度为15.2 μm，空间分辨率为1280 像素×800 像素，高速相机满幅帧速率达25 kHz。实验开始时，激光器接收同步控制器发出的信号，产生脉宽约700 ps、波长532 nm的激光。激光经空间滤波后进行扩束准直，形成直径约50 mm的均匀直光束。光束经分束立方后分为物光与参考光。物光经空间相干调制后，穿过雾化场携带上颗粒信息，与参考光一同照射至相机靶面上生成全息图。离轴全息成像的单一视场较小（19.5 mm×12.2 mm），实验中，通过电动位移台控制喷嘴在x、y方向移动：沿x方向每次移动15 mm，沿y方向每次移动11 mm。拼接后，可得到喷嘴下游约31.5 mm×31.5 mm区域的完整雾化场图像。

正式实验前进行系统误差标定。油气供给系统压力测控精度优于0.5%，温度波动范围±1 ℃。光学测试系统的颗粒粒径、空间位置测量精度以标准圆点标定板进行标定。图2为聚焦位置z=362 mm、重建范围z=350～375 mm的标定板重建结果。对500、200、50 μm标准圆点测量直径分别为493.5、191.9、40.8 μm，测量标准差分别为2.3、3.5、4.7 μm，均小于5 μm。x、y向定位精度为亚像素级。通过重建刚离开喷嘴的自由下落液滴获取z向定位精度，约为150 μm。

图  2  高速全息标定板重建结果

Fig.  2  Reconstruction result of calibration board in high-speed holography

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本研究以高原高寒环境中低温燃油条件下航空发动机冷启动与高空熄火再点火问题为背景，旨在探讨全息技术在低油流量工况下燃油雾化特性测试中的应用，进行了多组变气压、油压、油温的预实验。实验发现：气压高于1 kPa时，将在一定程度上抵消低油温对喷雾形态的影响；在高油压工况下，燃油将沿油杯壁面流出，形成展开的空心雾锥，其近喷嘴雾化破碎过程与低油流量工况存在很大差异，本研究暂不涉及。综合考虑，选择随油温变化喷雾形态差异大、雾化场清晰且具有代表性的油压0.03 MPa和气压1 kPa作为固定工况参数，分别进行油温28、–20、–40 ℃三组实验，测试不同油温下气动雾化喷嘴近场雾化特性。实验工况如表1所示。

表  1  实验工况

Table  1  Experimental conditions

工况	油压/MPa	油温/℃	气压/kPa
1	0.03	28	1
2	0.03	–20	1
3	0.03	–40	1

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1.2   数据处理

1.2.1   离轴全息重建

全息图I_H（x，y）通过重建可以恢复物光波前的强度与相位，从而获取颗粒的形态与空间位置信息。在满足近轴近似的条件下，基于瑞利–索末菲衍射公式，可将离轴重建过程表示为：

式中：Г（u，v；z_r）表示重建光场的复振幅分布；λ为单色光波长；i为虚数单位；R（x，y）为参考光复振幅分布；（x，y）和（u，v）分别为全息平面和重建平面的坐标；z_r为重建距离。

1.2.2   颗粒识别与定位

全息重建图像的景深较小，仅有少部分颗粒处于聚焦状态。采用小波变换法对各截面的重建图像进行景深拓展^[30]，使所有颗粒聚焦于同一平面，得到景深拓展图像。采用自适应阈值算法对图像中的颗粒进行识别^[29]，获取投影形貌、等效粒径以及x、y方向定位，采用边缘梯度最大方差法获取颗粒z方向定位^[26]。详细处理算法与流程参见文献[26，30]。

2   实验结果与分析

通过数据处理，可以获取全息图所记录的喷雾形态与三维颗粒场，作为后续统计与分析的依据。在油压0.03 MPa、油温–20 ℃、气压1 kPa工况下，对某帧全息图进行处理，得到了z=276.5 mm处重建截面及其景深范围30 mm内的颗粒场三维分布结果（如图3所示），展示了数据处理的主要流程。

图  3  油压0.03 Mpa、油温–20 ℃、气压1 kPa工况雾化场瞬态全息图及其z=276.5 mm处重建截面、三维颗粒场处理结果

Fig.  3  Transient hologram of spray under oil pressure of 0.03 MPa, oil temperature of –20 ℃, and air pressure of 1 kPa, its reconstructed slice image at z=276.5 mm, and 3D droplet distribution field processing results

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2.1   近场喷雾形态与雾化动态过程

通过拼接6个视场的景深拓展图，获得不同油温工况喷嘴下游约31.5 mm×31.5 mm区域内的喷雾形态清晰成像，成像结果包含非球形液滴、液膜、液丝等结构。图4为油压0.03 Mpa、气压1 kPa下，油温28、–20、–40 ℃时的近喷嘴完整雾化场成像。

拼接视场图像表明，随燃油温度降低，喷雾形态发生显著变化。如图4（b）和（c）所示，在低温工况下，燃油黏度与表面张力显著增大，导致雾化锥角减小，在喷嘴出口倾向于形成液柱或液膜结构。离开喷嘴出口的低温燃油破碎为液滴需要更长的距离，在图4中，油温28、–20、–40 ℃工况下的破碎距离分别约为4、16、22 mm。低温燃油雾化均匀度变差，小液滴随气流均匀分布于喷雾区，而大液滴趋向喷雾中心分布。与28 ℃喷雾相比，低温喷雾的液滴数目密度显著降低，粒径增大，液相体积主要聚集于大型液体碎片、液膜与液丝中。

图  4  油压0.03 MPa、气压1 kPa下不同油温工况近喷嘴完整雾化场成像

Fig.  4  Joint depth-of-field extended images of near-nozzle atomiza-tion field under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

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图5为油压0.03 MPa、气压1 kPa下，油温28、–20 ℃时，在近喷嘴区域单视场连续12帧时间分辨景深拓展图中截取的液膜与液丝破碎动态过程，每帧间隔40 μs。如图5所示，在油温28、–20 ℃工况下均可以观察到清晰的雾化破碎动态过程。在气动力作用下，喷嘴出口处体积较大的液体结构表面产生扰动而形成液膜与液丝，与28 ℃工况相比，在–20 ℃工况下，近喷嘴液丝与大液滴数量明显减少，液膜破碎过程更为明显。图5（a）和（b）中红色箭头所指为液膜形成与袋状破碎的起点；液膜发生袋状破碎后分离出液丝与大液滴（黄色箭头所指）；液丝在气动力与表面张力共同作用下拉长变细，断裂收缩形成若干液滴，液滴继续破碎雾化并向下游移动（绿色箭头所指）。

图  5  油压0.03 MPa、气压1 kPa、油温28 ℃与–20 ℃时液膜与液丝破碎过程时间分辨成像

Fig.  5  Time-resolved imaging of liquid films and filaments breaking processes at oil temperature of 28 ℃ and –20 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

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燃油温度降至–40 ℃时，受黏度与表面张力影响，喷嘴出口燃油雾化速度趋缓。图6为6张间隔25帧（1 ms）的近喷嘴区域单视场时间分辨景深拓展图。在红色方框内，由于油杯边缘环形出口气流与液柱表面存在相对速度，产生K-H不稳定性，液柱逐渐被周边空气拉扯为多枝状液丝与液膜，随后液膜被卷吸至高速射流区，被射流冲击发生袋状破碎，在液柱附近形成较多细小液滴以及离散液丝。液丝在气动力作用下从主液柱上脱落，由单一液丝振荡破碎为大液丝或伴生的一大一小双液滴，如黄色方框内所示。以上为低温工况下单喷嘴射流雾化形成液滴的主要过程。

图  6  油压0.03 MPa、气压1 kPa下，油温–40 ℃时近喷嘴雾化过程时间分辨成像

Fig.  6  Time-resolved imaging of near-nozzle atomization process at oil temperature of –40 ℃ under oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

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2.2   雾化液滴粒径分布

对于浓雾场，景深拓展图会出现各截面聚焦颗粒在投影面发生重叠的现象，使近喷嘴区域与雾锥中心区域的颗粒漏识别情况加重。尽管如此，由于颗粒粒径参数、位置参数是针对单一重建截面进行处理的，对可识别的离散颗粒，粒径与定位参数可以准确统计。本节对不同油温工况喷嘴下游31.5 mm×31.5 mm×90.0 mm空间进行粒径统计分析。对每组工况中每一个视场采样63帧图像进行重建与颗粒信息提取，采样频率为1 kHz。

对采样颗粒进行统计分析时，将粒径范围设为30～2000 μm，统计间距设为10 μm。实际实验中，粒径超过500 μm的液滴数量占比低于1%，因此针对各工况下30～500 μm内的液滴进行统计并绘成粒径分布直方图，如图7所示。

图  7  油压0.03 MPa、气压1 kPa下，不同油温工况近喷嘴雾化场粒径分布统计

Fig.  7  Statistics of droplet size distributions in near-nozzle spray region under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

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统计结果表明，在油压0.03 MPa、气压1 kPa工况下，85%以上颗粒粒径分布在200 μm以内，其中30～40 μm粒径范围内统计颗粒比例最高，均在15%以上。随着油温降低，粒径分布峰变宽，小粒径颗粒的占比明显下降。

3组工况下雾锥截面与空间内颗粒索特平均直径（SMD）、颗粒数浓度分布如图8所示。实验中获取SMD的方法是将空间分为若干1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm体素，将颗粒按三维位置归入不同体素后统计计算其SMD。每组工况分别展示喷嘴下游14.5 mm处x-z横截面、对称轴截面以及三维空间SMD分布。截面图中的黑色线条代表单一空间统计区域的颗粒数浓度分布，彩色云图代表SMD分布。

图  8  油压0.03 MPa、气压1 kPa下，不同油温工况雾锥截面与空间粒径分布

Fig.  8  Cross-section and spatial droplet size distributions under different oil temperatures at oil pressure of 0.03 MPa and air pressure of 1 kPa

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如图8所示，在油压0.03 MPa、气压1 kPa工况下，油雾颗粒在喷嘴下游14.5 mm处横截面上基本呈圆形分布，雾锥中心粒径大于边缘区域，尚未出现空心锥分布特点。这是由于气压与油压较低时，燃油重力占据主导，大部分燃油直接以液丝或液柱形式下落，并破碎为大液滴，中心区液滴远离环缝气流高速区，二次雾化受阻，使得平均粒径高于边缘区域。

随着油温降低，雾锥截面与空间体积缩小，雾化场SMD明显增大，液滴数量减少且雾化均匀性降低，雾化质量显著下降。28 ℃时，近喷嘴雾锥中心液滴粒径分布约为300 μm左右，雾锥边缘粒径分布约在80～150 μm范围，雾化均匀性高；–20 ℃时，雾锥中心出现大液滴，粒径在450 μm左右，部分达650 μm以上；当油温低至–40 ℃时，雾化近场以大型液柱、液膜、液丝以及非球形液滴为主，大型液柱等结构对雾化场中部分颗粒产生遮挡效应，导致近喷嘴区域离散颗粒识别数量降低，影响SMD统计结果。实验发现，随着油压升高，近喷嘴雾化场颗粒浓度显著提升，液丝、液膜结构的遮挡效应更为明显，不利于雾锥中心破碎小液滴的识别与量化。不过，本文研究结果表明，全息技术依旧有望对高油压下离散液滴颗粒进行识别及定位。对于近喷嘴液柱、液丝的形态量化处理，尚待进一步研究。

3   结　论

采用25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统对某型气液同轴油杯式雾化喷嘴下游30 mm内的近场雾化过程进行成像测试，获得以下结论：

1）对油温28、–20、–40 ℃三组工况喷嘴下游约31.5 mm×31.5 mm区域的雾化近场实现清晰成像，记录包含非球形液滴、液膜、液丝的典型雾化场结构。动态可视化结果表明，随油温降低，燃油雾化破碎距离延长，雾化锥角减小，喷雾浓度与均匀性急剧下降。

2）对近喷嘴雾化过程实现40 μs间隔的时间分辨动态成像记录。观察到28、–20 ℃工况下典型的液膜袋状破碎及液丝分解过程。记录了–40 ℃工况下喷嘴出口液柱向多枝状液丝与液膜结构演化、液膜破碎、液丝剥落与振荡破碎的完整雾化过程。

3）对油温28、–20、–40 ℃三组工况雾化场中粒径范围30～500 μm的液滴进行了统计分析，颗粒总体粒径在200 μm以内，其中30～40 μm粒径范围内颗粒数量占比最高，均在15%以上。

4）获取了不同油温下雾锥截面与空间粒径分布信息。粒径分布呈雾锥中心大、边缘小的趋势；随油温降低，雾化场SMD增大，雾锥中心粒径由300 μm左右逐渐增大至650 μm以上；油温降至–40 ℃时，雾化近场以大型液柱、液膜与液丝结构为主。

本文研究结果表明，高速皮秒脉冲激光离轴全息技术可以实现雾化喷嘴近场低温雾化过程的清晰成像与记录。通过后期处理，可以量化得到近场三维雾化参数，为不同工况下航空发动机燃油喷嘴结构设计优化、燃料雾化特性与机理研究提供技术支持。