一種基于三維piv的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法，該系統(tǒng)包括定容室、噴油系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)和三維PIV測試系統(tǒng)，所述噴油系統(tǒng)包含油泵和噴油器，噴油器位于定容器的頂端，所述三維PIV測試系統(tǒng)包含CCD攝像機(jī)、激光器、PIV同步控制器、光學(xué)元件和計(jì)算機(jī)，所述CCD攝像機(jī)有兩臺，分別位于定容室的一側(cè)，兩臺CCD攝像機(jī)通過PIV同步控制器控制，CCD攝像機(jī)采集的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分別控制PIV同步控制器和噴油同步控制器，所述PIV同步控制器與激光器連接，激光器與照亮定容器的光學(xué)元件連接。本發(fā)明的一種基于三維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法，可以對船用柴油機(jī)噴霧場進(jìn)行三維PIV測量，獲取三維速度分布數(shù)據(jù)。
【專利說明】
-種基于H維Piv的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法，屬于柴 油機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 噴油器作為船用柴油機(jī)核屯、部件之一，其作用是將柴油從液體霧化成細(xì)小的顆 粒，從而與燃燒室中的空氣均勻混合，得到良好的可燃性氣體。船用柴油機(jī)燃燒過程的優(yōu) 劣，決定著柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、噪音、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。而噴霧特性則是直接 決定船用柴油機(jī)的燃燒過程，因此對噴霧特性的研究具有重要的意義。
[0003] 目前，針對船用柴油機(jī)噴霧場的研究主要通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩種手段。在 流體力學(xué)基礎(chǔ)上，國內(nèi)外已發(fā)展出多種數(shù)值模型，但是沒有哪一種模型能準(zhǔn)確的模擬整個(gè) 噴霧過程，所有數(shù)值模擬仍局限于驗(yàn)證性質(zhì)，因此試驗(yàn)研究仍然是最基本也是最有效的方 法。近年來，隨著近代光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在流場測量方面逐漸形成 了 W粒子圖像測速(PIV)、激光誘導(dǎo)巧光法等為代表的新一代流動(dòng)顯示技術(shù)，不僅能獲得較 為精確的定量測量能力，而且實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)顯示與測量，因此對于復(fù)雜流動(dòng) 的研究(尤其是噴霧場研究)具有重要意義。
[0004] 國內(nèi)外針對船用柴油機(jī)噴霧場的試驗(yàn)研究主要采用二維粒子圖像速度場儀 (PIV)，其試驗(yàn)裝置也全部為二維特性測量系統(tǒng)。而噴霧場在空間中呈"圓錐狀"，其結(jié)構(gòu)并 非軸對稱，尤其在噴霧內(nèi)部為復(fù)雜的=維流動(dòng)流場，現(xiàn)在的試驗(yàn)裝置無法滿足對內(nèi)部=維 流動(dòng)流場的測量。因此設(shè)計(jì)一套=維流動(dòng)流場的試驗(yàn)裝置，對船用柴油機(jī)噴霧場的測量具 有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于=維PIV的船用 柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)及測量方法，可W對船用柴油機(jī)噴霧場進(jìn)行=維PIV測量，獲取=維 速度分布數(shù)據(jù)。
[0006] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量 系統(tǒng)，包括定容室、噴油系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)和=維PIV測試系統(tǒng)，所述噴油系統(tǒng)包含油累和噴油 器，油累的油箱中撒入示蹤粒子，噴油器位于定容器的頂端，所述S維PIV測試系統(tǒng)包含CCD 攝像機(jī)、激光器、PIV同步控制器、光學(xué)元件和計(jì)算機(jī)，所述CO)攝像機(jī)有兩臺，分別位于定容 室的一側(cè)，兩臺CC時(shí)暴像機(jī)通過PIV同步控制器控制，CO)攝像機(jī)采集的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)分別控制PIV同步控制器和噴油同步控制器，所述PIV同步控制器與激光器連接，激 光器與照亮定容器的光學(xué)元件連接;所述噴油同步控制器通過電磁閥與噴油器連接。
[0007] 作為優(yōu)選，所述定容器為透明玻璃制成。
[000引作為優(yōu)選，所述調(diào)壓系統(tǒng)包含空壓機(jī)，空壓機(jī)通過第一進(jìn)氣閥、氣壓表和第二進(jìn)氣 閥與定容器連接。
[0009] 作為優(yōu)選，所述定容器上安裝有排氣閥。
[0010] 作為優(yōu)選，所述定容器為正方體結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CO)攝像機(jī)的軸線關(guān)于定容器一個(gè)面的 法線對稱，兩個(gè)CC時(shí)暴像機(jī)的軸線位于水平面且軸線形成的角度為0。
[00川作為優(yōu)選，所述定容器的邊長L為
電中：dn為噴油器的噴孔 直徑，mm;化為柴油的密度，邑/細(xì)3; A P為噴孔壓力差，邸a，Pa為燃燒室內(nèi)空氣的密度，邑/細(xì)3， t為噴射持續(xù)時(shí)間，ms。根據(jù)公式設(shè)計(jì)的定容室，使噴霧場正好處于整個(gè)定容室內(nèi)，有助于 CCD攝像機(jī)拍攝整個(gè)噴霧場。定容室過小，會使得噴霧碰內(nèi)壁;定容室過大，占用安裝空間， 且不利于CO)攝像機(jī)捕捉噴霧場。
[0012] 作為優(yōu)選，所述0的范圍45~90°，可W有效地捕捉到濃度較大處的示蹤粒子。
[0013] 作為優(yōu)選，所述油累與噴油器之間依次設(shè)有流量計(jì)、油壓表和油閥。
[0014] -種上述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)的測量方法，包括W下步 驟：
[0015] 1)關(guān)閉噴油器，打開調(diào)壓系統(tǒng)，使定容室內(nèi)環(huán)境壓力為指定壓力時(shí)關(guān)閉調(diào)壓系統(tǒng)；
[0016] 2)調(diào)節(jié)光學(xué)元件，使其片光平面與定容室頂面垂直，與定容室正面平行，且與噴油 器軸線重合，調(diào)節(jié)CO)攝像機(jī)，使CC時(shí)暴像機(jī)能拍攝到整個(gè)噴霧場；
[0017] 3)在油累的油箱中撒入適量硅油示蹤粒子，噴油器到指定噴油工況后穩(wěn)定油累；
[0018] 4)通過計(jì)算機(jī)同時(shí)發(fā)送給噴油同步控制器和PIV同步控制器觸發(fā)信號，噴油同步 控制器將觸發(fā)信號傳給電磁閥，來同步控制噴油器的啟噴；同時(shí)激光器將激光傳給光學(xué)元 件用來照亮噴霧場指定區(qū)域，CO)攝像機(jī)同時(shí)拍攝噴霧場內(nèi)=維流動(dòng)，測量當(dāng)前截面流場信 息，拍攝結(jié)束后，CC時(shí)暴像機(jī)將圖像信息傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)軟件計(jì)算處理后得到噴霧場 =維速度分布狀況。
[0019] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 1)本發(fā)明可W對船用柴油機(jī)噴霧場進(jìn)行=維PIV測量，獲取=維速度分布數(shù)據(jù)。且 所發(fā)明測量系統(tǒng)適用于所有船用柴油機(jī)噴霧場的測量。
[0021] 2)將船用柴油機(jī)簡化成可視化的高壓玻璃，通過空壓機(jī)來模擬柴油機(jī)內(nèi)部環(huán)境條 件，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可循環(huán)使用。
[0022] 3)在測試系統(tǒng)中加入PIV同步控制器和噴油同步控制器可W有效地保證測量系統(tǒng) 的同步性和精確性。
[0023] 4)硅油作為示蹤粒子跟隨性較好，粒子容易發(fā)散不會結(jié)團(tuán)，能夠真實(shí)反映噴霧液 滴的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0026] 本發(fā)明采用粒子圖像速度場儀(PIV)對可視化噴霧場進(jìn)行=維流場測試，得到內(nèi) 流場流速分布，噴霧過程非常復(fù)雜且劇烈，PIV技術(shù)對流場無干擾，可W獲得內(nèi)流場的瞬時(shí) 速度場，是測量復(fù)雜流場的一種最先進(jìn)的技術(shù)。通過PIV技術(shù)對噴霧場進(jìn)行研究，其結(jié)果可 用于噴油器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明的一種基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，它包括可 視化噴霧系統(tǒng)和=維PIV測試系統(tǒng)?？梢暬瘒婌F系統(tǒng)包括噴油同步控制器6、電磁閥7、油累 8、流量計(jì)9、油壓表10、進(jìn)油閥11、排氣閥12、噴油器13、定容室14、第一第一進(jìn)氣閥17、第二 進(jìn)氣閥15、氣壓表16、空壓機(jī)18。船用柴油機(jī)簡化為高壓玻璃制成的正方體定容室14,邊長 為150mm，大小適用于船用柴油機(jī)。定容室14安裝在試驗(yàn)臺上。噴油器13安裝在頂面中屯、，噴 射方向垂直向下。噴油器13依次與進(jìn)油閥11、油壓表10、流量計(jì)9、油累8通過高壓油管相連。 同時(shí)噴油器13依次與電磁閥7、噴油同步控制器13、計(jì)算機(jī)5相連，通過計(jì)算機(jī)5控制噴油器 13噴油的開始和結(jié)束。為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)環(huán)境壓力，該噴霧場測量系統(tǒng)還設(shè)有空壓機(jī)18,通 過進(jìn)氣管依次和第一進(jìn)氣閥17、氣壓表16、第二進(jìn)氣閥15、定容室14相連，空壓機(jī)18安裝在 定容室14的左邊。定容室14頂面設(shè)有排氣閥12,用于控制定容室14內(nèi)環(huán)境壓力。=維PIV測 試系統(tǒng)包括CO)攝像機(jī)1、激光器2、PIV同步控制器3、光學(xué)元件4、計(jì)算機(jī)5。兩CO)攝像機(jī)1軸 線呈一角度目安裝在定容室14正前方，目優(yōu)選為45~90°，兩CCD攝像機(jī)1對稱軸與定容室14正 面中屯、的法線重合。激光器2和光學(xué)元件4安裝在定容室14右側(cè)。為了同步CO)攝像機(jī)1和激 光器2,將激光器2和CCD攝像機(jī)1分別與PIV同步控制器3、計(jì)算機(jī)5相連。同時(shí)將計(jì)算機(jī)5和 CO)攝像機(jī)1相連，用來收集圖像信息。
[0028] 本發(fā)明的一種基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)的具體操作方法如下：
[0029] 1)關(guān)閉噴油器13,打開第二進(jìn)氣閥15和第一進(jìn)氣閥17,調(diào)節(jié)空壓機(jī)18閥口，使定容 室14內(nèi)環(huán)境壓力(氣壓表16顯示)為指定壓力時(shí)關(guān)閉第一進(jìn)氣閥17和空壓機(jī)18。如果定容室 14內(nèi)環(huán)境壓力過大，則通過開啟排氣閥12來降低環(huán)境壓力。
[0030] 2)調(diào)節(jié)光學(xué)元件4，使其片光平面與定容室頂面垂直，與定容室正面平行，且與噴 油器軸線重合。調(diào)節(jié)CO)攝像機(jī)1，使其軸線呈一角度0并在同一水平面。調(diào)節(jié)CO)攝像機(jī)1焦 距，使CO)攝像機(jī)1能拍攝到整個(gè)噴霧場。
[0031] 3)在油累8的油箱中撒入適量示蹤粒子。關(guān)閉進(jìn)油閥11，調(diào)節(jié)油累8的閥口，觀察流 量計(jì)9和油壓表10,在其達(dá)到指定噴油工況后穩(wěn)定油累8的閥口。
[0032] 4)通過計(jì)算機(jī)5同時(shí)發(fā)送給噴油同步控制器6和PIV同步控制器3觸發(fā)信號。噴油同 步控制器則尋觸發(fā)信號傳給電磁閥7,來同步控制噴油器13的啟噴。同時(shí)激光器2將激光傳給 光學(xué)元件4用來照亮噴霧場指定區(qū)域。CO)攝像機(jī)1同時(shí)拍攝噴霧場內(nèi)=維流動(dòng)，測量當(dāng)前截 面流場信息。拍攝結(jié)束后，CO)攝像機(jī)1將圖像信息傳入計(jì)算機(jī)5,計(jì)算機(jī)5經(jīng)軟件計(jì)算處理后 得到噴霧場=維速度分布狀況。
[0033] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:包括定容室、噴油系 統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)和=維PIV測試系統(tǒng)，所述噴油系統(tǒng)包含油累和噴油器，油累的油箱中撒入示 蹤粒子，噴油器位于定容器的頂端，所述=維PIV測試系統(tǒng)包含CO)攝像機(jī)、激光器、PIV同步 控制器、光學(xué)元件和計(jì)算機(jī)，所述CO)攝像機(jī)有兩臺，分別位于定容室的一側(cè)，兩臺CC時(shí)暴像 機(jī)通過PIV同步控制器控制，CC時(shí)暴像機(jī)采集的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分別控制PIV同步 控制器和噴油同步控制器，所述PIV同步控制器與激光器連接，激光器與照亮定容器的光學(xué) 元件連接;所述噴油同步控制器通過電磁閥與噴油器連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述定容器為透明玻璃制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述調(diào)壓系統(tǒng)包含空壓機(jī)，空壓機(jī)通過第一進(jìn)氣閥、氣壓表和第二進(jìn)氣閥與定容器連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述定容器上安裝有排氣閥。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述定容器為正方體結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CC時(shí)暴像機(jī)的軸線關(guān)于定容器一個(gè)面的法線對稱，兩個(gè)CC時(shí)暴 像機(jī)的軸線位于水平面且軸線形成的角度為0。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述目的范圍為45~90°。7. 根據(jù)權(quán)利要求5目斤冰的甚干=維PTV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于：所 述定容器的邊長U '式中：山為噴油器的噴孔直徑，mm;Pf為柴油的密 度，g/cm3; A P為噴化圧刀左，ivra，Pa；/、」疋巧室內(nèi)空氣的密度，g/cm3，t為噴射持續(xù)時(shí)間，ms。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)，其特征在于:所 述油累與噴油器之間依次設(shè)有流量計(jì)、油壓表和油閥。9. 一種如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的基于=維PIV的船用柴油機(jī)噴霧場測量系統(tǒng)的測 量方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 關(guān)閉噴油器，打開調(diào)壓系統(tǒng)，使定容室內(nèi)環(huán)境壓力為指定壓力時(shí)關(guān)閉調(diào)壓系統(tǒng)； 2) 調(diào)節(jié)光學(xué)元件，使其片光平面與定容室頂面垂直，與定容室正面平行，且與噴油器軸 線重合，調(diào)節(jié)CO)攝像機(jī)，使CC時(shí)暴像機(jī)能拍攝到整個(gè)噴霧場； 3) 在油累的油箱中撒入適量硅油示蹤粒子，噴油器到指定噴油工況后穩(wěn)定油累； 4) 通過計(jì)算機(jī)同時(shí)發(fā)送給噴油同步控制器和PIV同步控制器觸發(fā)信號，噴油同步控制 器將觸發(fā)信號傳給電磁閥，來同步控制噴油器的啟噴；同時(shí)激光器將激光傳給光學(xué)元件用 來照亮噴霧場指定區(qū)域，CC時(shí)暴像機(jī)同時(shí)拍攝噴霧場內(nèi)S維流動(dòng)，測量當(dāng)前截面流場信息， 拍攝結(jié)束后，CC時(shí)暴像機(jī)將圖像信息傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)軟件計(jì)算處理后得到噴霧場=維 速度分布狀況。
【文檔編號】F02M65/00GK105909444SQ201610302552
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】晏飛, 杜雨辰, 王黎輝, 張建, 唐文獻(xiàn), 李大保, 周偉中
【申請人】江蘇科技大學(xué)