G 中华人人民共和国国家标准 GB/T 42680一2023 基于相位多普勒技术的液体燃料吉化特性 测试方法 Test method for liquid fuel atomization characteristics using phase Doppler technique 2023-05-23 发布 2023-12-01 实施 GB/T 42680一2023 目 次 前言 1 蒲半aneseaasnemnaapaeaoeareaaanae刘wanensnea 人ae全人h5a0 as ea an ooaloao oneeae nesataoiaieaoaegoiaateoiy srtoogeia 2 规范性引用文件 pe 3 术语禾多 eeeoveasaeeeeoreoseeoooooovotoeosnonros vanssroooeeooonooooaroaero canoneeoooeooeoooooioeooioeooooooer 4 测试原独 oo seeoeesoseeeseoesoesossoosrrsssssssssssrussresssrssrosrroessossereosresssoseeseeseseessossoseossoosee 3 5 测试设备 ee 6 测试条件 6 7 测试步又6 8 数据处理 ee 9 测试记录 ee 附录 A (资料性) 测试记录格式 9 参考文献 oaosmr soseeeeasaiasaaaeaanaaesooshaeoeaaasraarooaaatosei oasaeoootn和ecooooaoetataayoeroaeoaeseractstoessosee [0 GB/T 42680一2023 前 言 本文件按照 GB/T 1.1一2020%标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则;的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由全国燃烧节能净化标准化技术委员会(SACVTC 441)提出并归口 。 本文件起草单位 :北京理工大学 .中微机电科技股份有限公司 `清华大学 西南科技大学 `.滩柴动力 股份有限公司 .中国科学院工程热物理研究所、安徽江淮汽车集团股份有限公司`湖南华葵涟源钢铁有 限公司 `安徽省特种设备检测院 .北京麦迪光流测控技术有限公司 .广西银避动力科技有限公司`上海交 通大学 .重庆长安汽车股份有限公司 .安徽全柴动力股份有限公司 `浣江实验室.中国科学技术大学 、安 微省风形新材料科技有限公司 ,.博瑞特热能设备股份有限公司。 本文件主要起草人:何旭、林其钊、王字满.李雁飞.马戏.赵冬梅.王井山、贾德民、刘艳、赵礼飞、 刘涛、宋澜波 ,张海涛,张攻.白冰、乔信起、周月桂、刘发发.钱多德.刘克华.王高峰、李向茉、魏文品、 陈维新、张其林、徐咏梅。 I GB/T 42680一2023 基于相位多普勒技术的液体燃料雾化特性 测试方法 1 范围 本文件描述了基于相位多善勒技术进行液体燃料雾化特性测试的方法,包括测试原理.测试设备、 测试条件 .测试步骤.数据处理和测试记录。 本文件适用于液体燃料雾化特性的测试。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件。 GB/T 41770一2022 ”基于背光成像技术的液体燃料喷射特性测试方法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 老化特性 ”atomization characteristics 用于表征液体燃料晓射破碎后形成的液滴的微观特征参数。 注: 包括液滴速度 `液滴直径 。 3.1.1 液滴速度 ”droplet velocity 液体燃料暑射破碎后形成的液滴的速度。 3.1.2 液滴直径 ”droplet diameter 液体燃料喷射破碎后形成的液滴的直径 。 3.2 多普勒效应 Doppler effect 波源和观察者做相对运动时,观察者接收到的频率和波源发出的频率不同的现象。 3.3 相位多普勒分析仪 “phase Doppler analyzer;PDA 利用多普勒效应,同时测试液滴速度和液滴直径的测试系统。 3.4 测量体 probe volume 相位多普勒分析仪中,多束激光交汇处所形成的测试空间。 1 GB/T 42680一2023 3.5 多普勒脉冲信号 Doppler burst signal 运动液滴经过测量体时,散射出呈高斯分布形态的周期性变化的光信和号。 3.6 多普勒频率”Doppler frequency 运动液滴散射光的频率与原始人射激光频率之差。 3.7 测试位置 “probe position 相位多普款分析仪中,测量体的中心位于测试坐标系的坐标位置。 3.8 平均直径“mean diameter Dio 液滴直径的算术平均值,即参与统计的液滴直径之和除以液滴数量。 注: Dio按公式(1)计算: 1 Di， 一 六之D， 和 式中， N 一一参与统计的液滴数量; ;一一参与统计的液滴直径 ,单位为微米(pm) 。 3.9 索特平均直径”Sauter mean diameter 三3 参与统计的液滴直径的立方和与平方和之比。 注: Di*按公式(2)计算 ， > D: = 卫一 玉生 2 Di 3.10 10%体积分数直径 ”10% fractional volume diameter Dvol 参与统计的液滴中 ,液滴体积分布的累积函数为 0.1 时所对应的液滴直径。 注: Dvw按公式(3)计算 : Dv 三Q5 (0.1) 3 式中: Q:一一体积分布的累积函数,由 GB/T 15445.1一2008 中的 5.2 确定。 3.11 50%体积分数直径”50% fractional volume diameter 门vos 参与统计的液滴中 ,液滴体积分布的累积函数为 0.5 时所对应的液滴直径 。 注: 体积分数 Dvs按公式(4)计算: Dis 一Qil(00.5) 4) 3.12 90%体积分数直径”90% fractional volume diameter 门vos 参与统计的液滴中 ,液滴体积分布的累积函数为 0.9 时所对应的液滴直径 。 注: 体积分数 Dv。按公式(5)计算: 吕 GB/T 42680一2023 Do 一Qi5l(0.9) 05 ) 3.13 平均速度 mean velocity 速度的算术平均值,即参与统计的液滴速度瞬时值之和与液滴数量的比值。 3.14 均方根速度 ”root mean square velocity 参与统计的液滴速度瞬时值的平方和与液滴数量的比值的平方根。 3.15 速度汕流度 “velocity turbulence intensity 参与统计的液滴速度瞬时值的标准差与平均速度的比值。 3.16 数据率 data rate 信和号处理器每秒获得的有效数据的数量。 3.17 有效率 validation ratio 信号处理需获得的有效数据的数量占原始数据数量的百分比。 4 测试原理 测试原理如图 1 所示。激光发射探头发射两束激光,为了判断液滴速度分量的方向,两束激光的频 率不相同 ,频率较低的激光称为非频移激光 ,频率较高的激光称为频移激光,由于频差对波长的影响较 小,波长的变化可以忽略。两束激光交汇于一点形成测量体,因为两束激光相干,所以在测量体处产生 明暗相间的滚动干涉条纹。液滴经过测量体时,产生多普勒效应 ,干涉条纹的存在导致液滴散射光的光 强发生周期性变化。光电检测器接收到散射光信号后将其转换为多普勒脉冲信号,其频率(多普勒频 率)与液滴速度相关 ,多个光电检测器接收到的多普勒脉冲信号之间的相位差与液滴直径相关。 6 5 6 AN 出 ap SS nn SFEs Tc 本 人 |， - 1 / 2 / 3 4 标引序号说明 ， 1 一一激光发射探头; 2 一一信号接收探头; 3 一一光电检测器 4 一一数据分析; 5 一一喷油器; 6 一一测量体; 0 一一入射激光相交的锐角; 2 一一信号接收探头轴线与激光发射探头轴线正向的夹角; 少一一光电检测器与测量体中心连线的夹角。 图1 测试原理示意图 3 GB/T 42680一2023 将两束人射激光所构成的平面定义为激光平面。通过入射激光相交的锐角平分线并与激光平面相 垂直的平面为散射平面。液滴的速度分量为 U ,其方向垂直于散射平面,正向由激光发射探头出口位置 处非频移激光指向频移激光,反之为负,液滴速度分量按公式(6)计算 : 人 U一二7太思 6 式中: U 一一液滴速度分量 ,单位为米每秒(m/s); 和 一一入射激光波长 ,单位为米(m); 0 一一入射激光相交的锐角 ,单位为度( ); 刀一一多普勒频率,单位为赫效(Hz) 。 处于不同空间位置的光电检测器接收的多普勒脉冲信号存在相位差。根据相位差直接测出液滴直 径。光电检测器接收到的多普勒脉冲信号的相位按公式(7)计算 ; 5一元D8 ae 式中: 5 一一多普款脉冲信号的相位; r 一一圆周率; 8 一一几何因子。 几何因子08)取决于散射模式 .液滴和空气之间的相对折射率和三个角度 ,散射模式包括:液滴外 表面的反射.通过液滴的折射(一阶折射)和一次内反射的折射(二阶折射;角度 0.p 和光 的定义如图1 所示。激光发射探头与信号接收探头各自轴线布置在散射平面内,且均指向测量体中心 ,信号接收探头 内光电检测需按照竖直方向排列。 光电检测器: 和光电检测器7 接收的多普勒脉冲信号的相位差(57 )按公式(8)计算: 6 一G) 一6， 一郊D(p 一B,) AR 式中: 25一一光电检测器;和光电检测器7 接收的多普勒脉冲信号的相位差; G; 一一光电检测器7 的多善勒脉冲信号的相位; G, 一一光电检测器; 的多普款脉冲信号的相位; Bi 一一光电检测器7 的几何因子; 8;，一一光电检测器:的几何因子。 由公式08)可知 ,液滴直径和 2x 周期内的相位差之间存在线性关系,根据该相位差即可计算液滴 直径。 5 测试设备 5.1 液体燃料雾化特性测试系统 5.1.1 测试系统组成 测试系统由液体燃料喷射系统.PDA 和同步控制系统组成,如图 2 所示。激光由发射探头发射并 在雾束中交汇于一点形成测量体。液滴经过测量体散射的光信号由信和号接收探头收集,并传输至信和号 处理器,得到液滴速度和液滴直径信息 。当测试间断喷射时,由同步控制系统发出的信号触发 PDA 与 喷射进行同步。喷油吉的喷射压力由加压装置提供,并由同步控制系统驱动,计算机为操作端与数据存 储设备。 4 GB/T 42680一2023 ( [ 10 9 8 捉 11 <王 人人雹一 | 3 ss、 | | [一一一一 上 5 _6 标引序号说明: 1 一一激光发射探头; 2 一一雾束; 3 一一激光器及分光光路; 4 一一测量体; 5 一一信号接收探头; 6 一一信号处理器; 7 一一计算机; 8 一一同步控制系统， 9 一一喷油器; 10一一加压装置; 11一一液体燃料箱 。 图2 液体燃料雾化特性测试系统示意图 5.1.2 ”液体燃料喷射系统 液体燃料喷射系统按 GB/T 41770一2022 中 4.3 的规定执行。 5.1.3 PDA 参考图 2 所示 ,来自激光需发出的激光,经过分光光路将每个波长的激光分为两束,通过光纤或反 射镜进入激光发射探头,经过前置透镜交汇于一点形成测量体。液滴经过测量体散射的光信号由信和号 接收探头收集,在光电转换器内将光信号转变为电信号,进入信号处理器后,根据相位多普勒原理识别 液滴速度和液滴直径 ,并回传至计算机 。 5.1.4 同步控制系统 同步控制系统用于控制液体燃料喷射系统、.PDA 等测试设备的工作时序。 5.2 ”测试环境 5.2.1 开放环境 开放环境按照 GB/T 41770一2022 中 4.2.1 的规定执行。 5.2.2”受限环境 受限环境如图 3 所示 ,容器内部环境压力和环境温度可以根据测试要求进行调节,环境压力小于容 GB/T 42680一2023 器最高允许工作压力。宣采用多视窗结构,其四周应至少安装两块光学观察视窗,相互之问夹角宜为 110”" ,最大不超过 150" ,用于布置发射器和接收器。 1 一 4 110"” AAA EN 加 3 标引序号说明， 1一一激光发射探头; 2一一信号接收探头; 3一一容器; 4一一光学视窗。 图3 受限环境示意图 6 测试条件 测试条件按照 GB/T 41770一2022 中第 5 章的规定执行。 7 测试步骤 7.1 布置安装测试设备 布置安装液体燃料喷射系统`.PDA ,同时标记喷嘴周向安装位置并记录其坐标位置。 7.2 PDA 调试 7.2.1 光学系统配置 输入激光发射探头、信和号接收探头的口径.工作距离等参数。对于具有较高液滴数量浓度的喷射， 宜选择更大口径和更短工作距离的激光发射探头。 7.2.2 ”激光功率调节 进行测试前,应确保激光功率进行合理优化,如逐步提高激光输出功率,检查并优化光纤耦合效率 等。激光功率的选择应能满足对液滴群的穿透,穿透效果通过多个周期到加的“喷油时刻-液滴速度” 变化曲线是否连贯进行评估。 7.2.3 PDA 参数设置 在系统中输入待测液体燃料的折射率和接收探头的接收角 ,并根据实际测试条件选择散射光模式。 7.2.4 初步调节 在喷雾场中放置加湿器,在系统中设置速度范围使其覆盖实际符测对象的速度范围,通过连续稳定 6 GB/T 42680一2023 的产生液滴群对 PDA 信和号接收探头的俯仰/旋转接收角度及聚焦效果进行优化,以获得最优的数据率 及不低于 80%的有效率。 7.3 容器加压 若需要测试高压环境中的液体燃料雾化特性,则应在受限环境中加压测试。加压后由于环境密度 发生改变,应通过喷油需进行液体燃料喷射进一步优化信号接收探头的俯仰/旋转接收角度及聚焦 效果。 7.4 调试喷射控制参数 调试喷油器各项喷射控制参数 ,检查同步控制信号,确定液体燃料喷射系统和 PDA 同步工作。 7.5 PDA 精细化调节 7.5.1 连续喷射 将测量体放置于待测雾束区域内,在系统中设置速度范围使其覆盖实际等测对象的速度范围,使用 之前设置的该位置的仪器参数进行实际数据采集。 7.5.2 间断喷射 7.5.2.1 将测量体放置于喷油嘴孔轴线下游 ,在系统中设置速度范围使其覆盖实际待测对象的速度范 围,通过改变发送至PDA 的同步信号延时及脉宽,设置采集时刻仅覆盖整个喷射过程中速度最高的部 分,基于此触发信号检查此时采集到的多普勒信号波形,并通过改变信号接收探头的空间分辨狭缝/针 孔 ,优化PDA 的数据率`有效率、.相位图有效性,确认可以获得有效数据。 7.5.2.2 ”改变发送至 PDA 的同步信号延时及脉宽,设置采集时刻履盖整个喷射过程,并适当延长 2 ms一4 ms，确保可以接收完整的液滴通过测量体时的信号变化,采集 50 次一100 次喷油循环,通过 采集到的数据,确认液滴团通过时可以获得连续变化的液滴速度和液滴直径信息。 7.6 喷射循环现象分析 在系统设置中将每次喷射起始时刻对齐进行数据整理,将每次喷射过程的数据细分为 100 个一200 个 数据组 ,获得随喷射时间历程的各组平均速度及平均直径变化曲线。 7.7 ”测试 为确保测试数据具有统计意义及较高可信度 ,将测量体移至测试位置。测量体宜距叶油嘴孔出口 一定距离 ,并能获得连续变化的“喷油时刻-液滴速度”曲线 ,避免液滴数量浓度高或者液滴畸变而影响 测试结果。典型数据采集不少于 100 次喷油循环,如无法获得连续变化的“喷油时刻-液滴速度”曲线， 可继续提高喷油循环采集次数。 7.8 记录数据 记录测试相关参数,保存数据,然后进行下一个测试位置的测试。 8 数据处理 根据原始数据,分别计算出液滴速度及液滴直径的统计结果,包括平均速度 .均方根速度 .速度清流 度 \、D10 \、D3， \、Dvol \、Dvos5 \、Dvw9等。 7 GB/T 42680一2023 保存液滴速度 .液滴直径 .平均速度 .均方根速度 .速度汕流度.Dio、 Da 、 Dr、Dvrs、Dvo等以及液 滴速度 .液滴直径分布图谱信息。如使用坐标架进行全场扫描式采集时,还可以输出空间图谱,包括速 度矢量图.空间液滴直径统计结果分布图等。 9 测试记录 测试记录内容如下。 a) 通用部分: e 测试项目名称; e 测试时间; e 测试人员; e 测试地点。 b) 喷油吉; e 喷油器品牌、.型号; e 喷油嘴孔直径 。 c) PDA 系统各部件信号、参数 e@ 激光器品牌、.型号; e PDA厂商、型号; e@ 激光发射探头型号焦距; e@ 信号接收探头型号 .焦距 ; e 激光器输出功率; e 空间滤波狭缝; e 光电倍增管电压; e@ 发射句和接收器夹角; e@ 测试点坐标。 d) 测试条件: e 液体燃料种类 e 液体燃料密度; e 液体燃料折射率; e 环境气体种类; e 环境温度; e 环境压力; e 喷油吉工作压力; e 油箱燃料温度; e 喷油器燃料温度; e 脉冲信号宽度; e 喷射周期; e 通风流量/供气流量; e 蜂窒板孔总截面面积; e 气流运动方向的容器横截面面积。 e) 测试原始数据文件。 测试记录格式见附录 A。 8 GB/T 42680一2023 附 录 A (资料性) 测试记录格式 测试记录格式见表 A.1。 表A.1 测试记录格式 液体燃料雾化特性测试记录 第一部分:通用部分 测试项目名称 测试时间 测试人员 测试地点 第二部分;喷油器 喷油器品牌\型号 路油嘴孔直径/mm 第三部分:PDA 激光器品牌型号 PDA 厂商.型号 激光发射探头型号,焦距 信号接收探头型号,焦距 激光器输出功率人Wr 空间滤波狭颖/um 光电倍增管电压/V 发射器和接收器夹角/(?) 测试点坐标 第四部分;测试条件 液体燃料种类 液体燃料密度/( kgy/ms) 液体燃料折射率 环境气体种类 环境温度/C 环境压力/MPa 喷油器工作压力/MPa 油箱燃料温度/C 路油器燃料温度/C 脉冲信号宽度/ms 喷射周期/ms 通风流量/供气流量/( m" /pb) 蜂窝板孔总截面面积/ms 气流运动方向的容器横截面面积/ms 第五部分;测试原始数据文件 序号 测试点坐标位置 保存文件各 1 当 学 4 6 第六部分;签字 记录人签字 日期 审核人签字 日其 备注: 9 GB/T 42680一2023 参考 文献 [1 GB/T 15445.1一2008 粒度分析结果的表述 第1部分:图形表征 10