一种基于三维piv的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，该系统包括定容室、喷油系统、调压系统和三维PIV测试系统，所述喷油系统包含油泵和喷油器，喷油器位于定容器的顶端，所述三维PIV测试系统包含CCD摄像机、激光器、PIV同步控制器、光学元件和计算机，所述CCD摄像机有两台，分别位于定容室的一侧，两台CCD摄像机通过PIV同步控制器控制，CCD摄像机采集的图像传输到计算机，计算机分别控制PIV同步控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激光器与照亮定容器的光学元件连接。本发明的一种基于三维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，可以对船用柴油机喷雾场进行三维PIV测量，获取三维速度分布数据。
【专利说明】
-种基于H维Piv的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统及测量方法，属于柴 油机领域。
【背景技术】
[0002] 喷油器作为船用柴油机核屯、部件之一，其作用是将柴油从液体雾化成细小的颗 粒，从而与燃烧室中的空气均匀混合，得到良好的可燃性气体。船用柴油机燃烧过程的优 劣，决定着柴油机的动力性、经济性、排放、噪音、机械负荷和热负荷。而喷雾特性则是直接 决定船用柴油机的燃烧过程，因此对喷雾特性的研究具有重要的意义。
[0003] 目前，针对船用柴油机喷雾场的研究主要通过试验研究和数值模拟两种手段。在 流体力学基础上，国内外已发展出多种数值模型，但是没有哪一种模型能准确的模拟整个 喷雾过程，所有数值模拟仍局限于验证性质，因此试验研究仍然是最基本也是最有效的方 法。近年来，随着近代光学技术、激光技术和计算机技术的发展，在流场测量方面逐渐形成 了 W粒子图像测速(PIV)、激光诱导巧光法等为代表的新一代流动显示技术，不仅能获得较 为精确的定量测量能力，而且实现了复杂空间机构的瞬态显示与测量，因此对于复杂流动 的研究(尤其是喷雾场研究)具有重要意义。
[0004] 国内外针对船用柴油机喷雾场的试验研究主要采用二维粒子图像速度场仪 (PIV)，其试验装置也全部为二维特性测量系统。而喷雾场在空间中呈"圆锥状"，其结构并 非轴对称，尤其在喷雾内部为复杂的=维流动流场，现在的试验装置无法满足对内部=维 流动流场的测量。因此设计一套=维流动流场的试验装置，对船用柴油机喷雾场的测量具 有重要的意义。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于=维PIV的船用 柴油机喷雾场测量系统及测量方法，可W对船用柴油机喷雾场进行=维PIV测量，获取=维 速度分布数据。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明的一种基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量 系统，包括定容室、喷油系统、调压系统和=维PIV测试系统，所述喷油系统包含油累和喷油 器，油累的油箱中撒入示踪粒子，喷油器位于定容器的顶端，所述S维PIV测试系统包含CCD 摄像机、激光器、PIV同步控制器、光学元件和计算机，所述CO)摄像机有两台，分别位于定容 室的一侧，两台CC时暴像机通过PIV同步控制器控制，CO)摄像机采集的图像传输到计算机， 计算机分别控制PIV同步控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激 光器与照亮定容器的光学元件连接;所述喷油同步控制器通过电磁阀与喷油器连接。
[0007] 作为优选，所述定容器为透明玻璃制成。
[000引作为优选，所述调压系统包含空压机，空压机通过第一进气阀、气压表和第二进气 阀与定容器连接。
[0009] 作为优选，所述定容器上安装有排气阀。
[0010] 作为优选，所述定容器为正方体结构，两个CO)摄像机的轴线关于定容器一个面的 法线对称，两个CC时暴像机的轴线位于水平面且轴线形成的角度为0。
[00川作为优选，所述定容器的边长L为
电中：dn为喷油器的喷孔 直径，mm;化为柴油的密度，邑/細3; A P为喷孔压力差，邸a，Pa为燃烧室内空气的密度，邑/細3， t为喷射持续时间，ms。根据公式设计的定容室，使喷雾场正好处于整个定容室内，有助于 CCD摄像机拍摄整个喷雾场。定容室过小，会使得喷雾碰内壁;定容室过大，占用安装空间， 且不利于CO)摄像机捕捉喷雾场。
[0012] 作为优选，所述0的范围45~90°，可W有效地捕捉到浓度较大处的示踪粒子。
[0013] 作为优选，所述油累与喷油器之间依次设有流量计、油压表和油阀。
[0014] -种上述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的测量方法，包括W下步 骤：
[0015] 1)关闭喷油器，打开调压系统，使定容室内环境压力为指定压力时关闭调压系统；
[0016] 2)调节光学元件，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷油 器轴线重合，调节CO)摄像机，使CC时暴像机能拍摄到整个喷雾场；
[0017] 3)在油累的油箱中撒入适量硅油示踪粒子，喷油器到指定喷油工况后稳定油累；
[0018] 4)通过计算机同时发送给喷油同步控制器和PIV同步控制器触发信号，喷油同步 控制器将触发信号传给电磁阀，来同步控制喷油器的启喷；同时激光器将激光传给光学元 件用来照亮喷雾场指定区域，CO)摄像机同时拍摄喷雾场内=维流动，测量当前截面流场信 息，拍摄结束后，CC时暴像机将图像信息传入计算机，计算机经软件计算处理后得到喷雾场 =维速度分布状况。
[0019] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0020] 1)本发明可W对船用柴油机喷雾场进行=维PIV测量，获取=维速度分布数据。且 所发明测量系统适用于所有船用柴油机喷雾场的测量。
[0021] 2)将船用柴油机简化成可视化的高压玻璃，通过空压机来模拟柴油机内部环境条 件，结构简单，制造方便，可循环使用。
[0022] 3)在测试系统中加入PIV同步控制器和喷油同步控制器可W有效地保证测量系统 的同步性和精确性。
[0023] 4)硅油作为示踪粒子跟随性较好，粒子容易发散不会结团，能够真实反映喷雾液 滴的实际运动情况。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0026] 本发明采用粒子图像速度场仪(PIV)对可视化喷雾场进行=维流场测试，得到内 流场流速分布，喷雾过程非常复杂且剧烈，PIV技术对流场无干扰，可W获得内流场的瞬时 速度场，是测量复杂流场的一种最先进的技术。通过PIV技术对喷雾场进行研究，其结果可 用于喷油器的设计与优化。
[0027] 如图1所示，本发明的一种基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，它包括可 视化喷雾系统和=维PIV测试系统。可视化喷雾系统包括喷油同步控制器6、电磁阀7、油累 8、流量计9、油压表10、进油阀11、排气阀12、喷油器13、定容室14、第一第一进气阀17、第二 进气阀15、气压表16、空压机18。船用柴油机简化为高压玻璃制成的正方体定容室14,边长 为150mm，大小适用于船用柴油机。定容室14安装在试验台上。喷油器13安装在顶面中屯、，喷 射方向垂直向下。喷油器13依次与进油阀11、油压表10、流量计9、油累8通过高压油管相连。 同时喷油器13依次与电磁阀7、喷油同步控制器13、计算机5相连，通过计算机5控制喷油器 13喷油的开始和结束。为了模拟发动机内环境压力，该喷雾场测量系统还设有空压机18,通 过进气管依次和第一进气阀17、气压表16、第二进气阀15、定容室14相连，空压机18安装在 定容室14的左边。定容室14顶面设有排气阀12,用于控制定容室14内环境压力。=维PIV测 试系统包括CO)摄像机1、激光器2、PIV同步控制器3、光学元件4、计算机5。两CO)摄像机1轴 线呈一角度目安装在定容室14正前方，目优选为45~90°，两CCD摄像机1对称轴与定容室14正 面中屯、的法线重合。激光器2和光学元件4安装在定容室14右侧。为了同步CO)摄像机1和激 光器2,将激光器2和CCD摄像机1分别与PIV同步控制器3、计算机5相连。同时将计算机5和 CO)摄像机1相连，用来收集图像信息。
[0028] 本发明的一种基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的具体操作方法如下：
[0029] 1)关闭喷油器13,打开第二进气阀15和第一进气阀17,调节空压机18阀口，使定容 室14内环境压力(气压表16显示)为指定压力时关闭第一进气阀17和空压机18。如果定容室 14内环境压力过大，则通过开启排气阀12来降低环境压力。
[0030] 2)调节光学元件4，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷 油器轴线重合。调节CO)摄像机1，使其轴线呈一角度0并在同一水平面。调节CO)摄像机1焦 距，使CO)摄像机1能拍摄到整个喷雾场。
[0031] 3)在油累8的油箱中撒入适量示踪粒子。关闭进油阀11，调节油累8的阀口，观察流 量计9和油压表10,在其达到指定喷油工况后稳定油累8的阀口。
[0032] 4)通过计算机5同时发送给喷油同步控制器6和PIV同步控制器3触发信号。喷油同 步控制器則尋触发信号传给电磁阀7,来同步控制喷油器13的启喷。同时激光器2将激光传给 光学元件4用来照亮喷雾场指定区域。CO)摄像机1同时拍摄喷雾场内=维流动，测量当前截 面流场信息。拍摄结束后，CO)摄像机1将图像信息传入计算机5,计算机5经软件计算处理后 得到喷雾场=维速度分布状况。
[0033] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:包括定容室、喷油系 统、调压系统和=维PIV测试系统，所述喷油系统包含油累和喷油器，油累的油箱中撒入示 踪粒子，喷油器位于定容器的顶端，所述=维PIV测试系统包含CO)摄像机、激光器、PIV同步 控制器、光学元件和计算机，所述CO)摄像机有两台，分别位于定容室的一侧，两台CC时暴像 机通过PIV同步控制器控制，CC时暴像机采集的图像传输到计算机，计算机分别控制PIV同步 控制器和喷油同步控制器，所述PIV同步控制器与激光器连接，激光器与照亮定容器的光学 元件连接;所述喷油同步控制器通过电磁阀与喷油器连接。2. 根据权利要求1所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述定容器为透明玻璃制成。3. 根据权利要求1所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述调压系统包含空压机，空压机通过第一进气阀、气压表和第二进气阀与定容器连接。4. 根据权利要求3所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述定容器上安装有排气阀。5. 根据权利要求1所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述定容器为正方体结构，两个CC时暴像机的轴线关于定容器一个面的法线对称，两个CC时暴 像机的轴线位于水平面且轴线形成的角度为0。6. 根据权利要求5所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述目的范围为45~90°。7. 根据权利要求5目斤冰的甚干=维PTV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于：所 述定容器的边长U '式中：山为喷油器的喷孔直径，mm;Pf为柴油的密 度，g/cm3; A P为喷化圧刀左，ivra，Pa；/、」疋巧室内空气的密度，g/cm3，t为喷射持续时间，ms。8. 根据权利要求1所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统，其特征在于:所 述油累与喷油器之间依次设有流量计、油压表和油阀。9. 一种如权利要求1至8任一项所述的基于=维PIV的船用柴油机喷雾场测量系统的测 量方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 关闭喷油器，打开调压系统，使定容室内环境压力为指定压力时关闭调压系统； 2) 调节光学元件，使其片光平面与定容室顶面垂直，与定容室正面平行，且与喷油器轴 线重合，调节CO)摄像机，使CC时暴像机能拍摄到整个喷雾场； 3) 在油累的油箱中撒入适量硅油示踪粒子，喷油器到指定喷油工况后稳定油累； 4) 通过计算机同时发送给喷油同步控制器和PIV同步控制器触发信号，喷油同步控制 器将触发信号传给电磁阀，来同步控制喷油器的启喷；同时激光器将激光传给光学元件用 来照亮喷雾场指定区域，CC时暴像机同时拍摄喷雾场内S维流动，测量当前截面流场信息， 拍摄结束后，CC时暴像机将图像信息传入计算机，计算机经软件计算处理后得到喷雾场=维 速度分布状况。
【文档编号】F02M65/00GK105909444SQ201610302552
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】晏飞, 杜雨辰, 王黎辉, 张建, 唐文献, 李大保, 周伟中
【申请人】江苏科技大学