Способ определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для определения дисперсных характеристик топливо-воздушных струй.

Известен седиментометрический способ получения интегральной кривой распределения капель жидкости по размерам, основанный на использовании закона Стокса. Капли распыленной жидкости подают для оседания под действием силы тяжести на тарелку и вызывают деформацию коромысла, которую фиксируют с помощью тензодатчика, автоматически записывая кривую оседания. Радиус капель вычисляют как величину, обратно пропорциональную квадратному корню из времени оседания, которое определяют по экспериментальным кривым оседания. По этим же кривым определяют и относительное число капель различного радиуса, содержащихся в струе распыленной жидкости / (Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979, с.197-199).

Недостатком седиментометрического способа является его продолжительность, определяемая длительностью оседания наиболее мелких капель.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является колориметрический способ определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости. Ось струи жидкости направляют горизонтально над поддоном, который разделен на желобки, расположенные под прямым углом к оси струи. В желобки предварительно наливают определенное количество исследуемой жидкости. К распыливаемому компоненту добавляют краситель. При постоянном давлении подводимой к форсунке жидкости крупные капли летят дальше мелких, оседая под действием силы тяжести на поддон с желобками. Чем больше масса капель, попавших в тот или иной желобок, тем интенсивней окрасится в нем жидкость. Интенсивность окраски определяют колориметрическим путем. Размер капель, попавших в желобок, оценивают по расстоянию желобка от форсунки / (Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979, С.199-200).

Недостатком колориметрического способа является его продолжительность, определяемая длительностью оседания наиболее мелких частиц и анализом окраски жидкости в желобках колориметрическим путем.

Предлагаемым изобретением решается задача оперативного определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, заключающемся в том, что при постоянном давлении подводимой к форсунке жидкости ось струи жидкости, крупные капли которой летят дальше мелких, направляют горизонтально и производят оценку размеров капель, осевших вниз под действием силы тяжести, по расстоянию от форсунки, согласно изобретению в направлении действия силы тяжести по всей длине струи направляют поток воздуха с постоянной малой по сравнению со скоростью струи скоростью, а перпендикулярно направлению действия силы тяжести и параллельно друг другу на известном расстоянии от форсунки к струе пропускают световые лучи, расположенные последовательно в одной плоскости, таким образом, что их пересекают пролетающие капли, далее производят оценку размеров капель, осевших вниз, путем определения гистограммы дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, по регистрируемой относительной интенсивности световых лучей.

Оперативное определение дисперсного состава капель струи распыленной жидкости в предлагаемом способе обусловлено тем, что мелкие капли, увлекаемые потоком воздуха, осядут быстрее крупных и отпадет необходимость в колориметрическом анализе окраски жидкости.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, реализующего этот способ.

Устройство для определения дисперсного состава капель распыленной жидкости содержит форсунку 1, формирующую струю распыленной жидкости 2, направленную вдоль горизонтальной оси 3, перпендикулярную направлению силы тяжести 4, поток воздуха 5, сдувающий капли жидкости со струи 2 по всей длине в направлении действия силы тяжести 4, последовательно размещенные N источников светового излучения 6.1...6.N для пропускания последнего через струю распыленной жидкости, оппозитные источникам светового излучения 6.1...6.N оптические системы 7.1...7.N, фокусирующие световое излучение на фоточувствительную поверхность фотодатчиков 8.1...8.N, блок 9 аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ 10.

N выходов фотодатчиков 7.1...7.N подключены к N входам блока 9 аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к ЭВМ 10.

Струя распыленной жидкости 2, формируемая форсункой 1 в направлении горизонтальной оси 3, попадает под перпендикулярно направленный к горизонтальной оси 3 поток воздуха 5, под действием которого мелкие капли сдуваются раньше крупных и крупные капли летят дальше мелких. Траектория полета капель искривляется в направлении действия силы тяжести 4 и потока воздуха 5, вследствие чего струя распыленной жидкости трансформируется. Далее, трансформированная струя распыленной жидкости пронизывается световыми лучами от 6.1...6.N источников светового излучения. Оптическими системами 7.1...7.N световые лучи, прошедшие через трансформированную струю распыленной жидкости 2, фокусируются на фоточувствительной поверхности фотодатчиков 8.1...8.N, с выхода которых сигналы поступают на входы блока 9 аналого-цифрового преобразователя.

Устройство для определения дисперсного состава капель распыленной жидкости работает следующим образом. Форсункой 1 формируется струя распыленной жидкости 2, направленная вдоль горизонтальной оси 3, перпендикулярной к направлению силы тяжести 4 и потоку воздуха 5, непрерывно воздействующего на струю распыленной жидкости 2 с постоянной скоростью обдува. Поток воздуха 5 трансформирует струю распыленной жидкости 2, искривляя траекторию полета капель распыленной жидкости в сторону расположения световых лучей от источников светового излучения 6.1...6.N. Последние направлены перпендикулярно к оси струи распыленной жидкости 3 и потоку воздуха 5. Фотодатчиками 8.1...8.N регистрируется за время измерения t₀ относительная интенсивность световых лучей от источников светового излучения 6.1...6.N, прошедших через трансформированную дисперсную струю распыленной жидкости 2 и сфокусированных оптическими системами 7.1...7.N. Появлением сигнала от фотодатчика 8.1 запускается работа блока 9 аналого-цифрового преобразователя и программа в ЭВМ 10. Время t₀ является временем измерения относительной световой интенсивности, определяемое тактовой частотой блока 9 аналого-цифрового преобразователя.

Выходные сигналы от фотодатчиков 8.1...8.N преобразуются в цифровую форму с тактовой частотой блока 9 аналого-цифрового преобразователя для обработки на ЭВМ 10. В каждый момент времени t₀ измерения относительной световой интенсивности фотодатчиками 8.1...8.N программа в ЭВМ 10 определяет массу капель струи распыленной жидкости определенного радиуса r_n, зависящего от расстояния между плоскостью выходного отверстия форсунки и плоскостью светового луча номер n (1≤n≤N), перпендикулярной горизонтальной оси 3, следующим путем.

По закону Бугера-Ламберта-Бера относительная интенсивность светового излучения, прошедшего через среду, равна:

где n - номер светового луча от источника светового излучения 6.1...6.N (1≤n≤N);

i - номер момента времени измерения (1≤i≤K);

К - конечный номер момента времени измерения;

J_in - относительная интенсивность светового излучения от n-го источника светового излучения 6.1...6.N, прошедшего через струю распыленной жидкости в i-й момент времени измерения;

I_in - интенсивность светового излучения от n-го источника светового излучения 6.1...6.N, прошедшего через струю распыленной жидкости в i-й момент времени измерения;

I_0n - интенсивность светового излучения от n-го источника светового излучения 6.1...6.N в отсутствии струи распыленной жидкости 2;

c_in - плотность капель распыленной жидкости в объеме струи распыленной жидкости V_n, пронизываемого световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N в i-й момент времени измерения;

b_n - коэффициент пропорциональности, не зависящий от с_in;

L_n - толщина струи распыленной жидкости в направлении светового излучения от n-го источника светового излучения 6.1...6.N.

Выходной сигнал любого из фотодатчиков 8.1...8.N в i-й момент времени измерения равен:

где n - номер фотодатчика 8.1...8.N (1≤n≤N);

U_in - выходной сигнал фотодатчиков 8.1...8.N в i-й момент времени измерения;

S_n - чувствительность n-го из фотодатчиков 8.1...8.N.

Плотность капель в объеме V_n струи распыленной жидкости, пронизанном световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N, в i-й момент времени измерения равна:

где μ_in - интенсивность капель в объеме V_n струи распыленной жидкости, пронизываемого световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N в i-й момент времени измерения;

V_n - объем струи распыленной жидкости, пронизанный световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N.

Тогда μ_in - интенсивность капель распыленной жидкости в объеме струи распыленной жидкости, пронизываемом световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N в i-й момент времени измерения, находится по величине относительной интенсивности светового излучения, прошедшего через струю распыленной жидкости, используя формулы (1), (2) и (3), из выражения:

где U_on - выходной сигнал n-го фотодатчика 8.1...8.N в отсутствие струи распыленной жидкости 2;

Q_n - константа преобразования измерительного устройства для n-го источника светового излучения 6.1...6.N и соответствующего n-го приемника 8.1...8.N светового излучения определяется предварительно, используя струю распыленной жидкости от эталонной форсунки, для которой гистограмма дисперсного состава капель распыленной жидкости известна.

Масса капель струи распыленной жидкости радиуса r_n, прошедших через объем струи V_n распыленной жидкости, пронизываемый световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N, равна:

где М_n - масса капель распыленной жидкости, прошедших через объем струи V_n распыленной жидкости.

Способ определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости осуществляется следующим образом. При постоянном давлении подводимой к форсунке 1 жидкости ось струи жидкости 2, крупные капли которой летят дальше мелких, направляют горизонтально. В направлении действия силы тяжести 4 по всей длине струи 2 направляют поток воздуха 5 с постоянной малой по сравнению со скоростью струи скоростью. Поток воздуха 5 в направлении действия силы тяжести 4 сдувает со струи капли жидкости, искривляя траекторию их полета, вследствие чего струя распыленной жидкости трансформируется. Далее трансформированная струя распыленной жидкости пронизывается световыми лучами от 6.1...6.N источников светового излучения, расположенных последовательно в одной плоскости параллельно друг другу, таким образом, что их пересекают пролетающие капли, перпендикулярно направлению действия силы тяжести 4 и параллельно друг другу на известном расстоянии от форсунки, к струе. Затем фотодатчики 8.1...8.N регистрируют интенсивность светового излучения, прошедшего через трансформированную струю распыленной жидкости 2. После этого последовательно от момента времени появления сигнала на выходе любого из фотодатчиков 8.1...8.N выходной сигнал с фотодатчиков преобразуют в цифровую форму в блоке 9 аналого-цифрового преобразователя и передают в ЭВМ 10. В ЭВМ 10 по программе, составленной на основе формул (4) и (5), прологарифмированный сигнал с фотодатчиков 8.1...8.N суммируют от начала процесса распыления жидкости до окончания, определяя и запоминая массу капель струи распыленной жидкости радиуса r_n, прошедших через объем V_n струи распыленной жидкости, пронизываемый световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N (1≤n≤N). Радиус капель распыленной жидкости определяют из расстояния между плоскостью выходного отверстия форсунки и плоскостью светового излучения от n-го источника светового излучения 6.1...6.N. При постоянных скоростях истечения жидкости из сопла форсунки 1 и скорости обдува потока воздуха 5 капли распыленной жидкости радиуса r_n будут двигаться по направлению к объему V_n струи распыленной жидкости, пронизанном световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N. Константу преобразования Q_n в формуле (4) определяют предварительно путем калибровки и запоминают в ЭВМ 10, используя струю распыленной жидкости от эталонной форсунки, для которой гистограмма дисперсного состава капель распыленной жидкости известна. Гистограмму дисперсного состава капель струи распыленной жидкости определяют по регистрируемой относительной интенсивности световых лучей и оценки размеров капель, осевших вниз.

В результате последовательно от времени начала процесса распыления жидкости форсункой 1 по формулам (4) и (5) находят значения массы М_n капель струи распыленной жидкости 2, прошедших объем V_n струи распыленной жидкости, пронизываемый световым излучением от n-го источника светового излучения 6.1...6.N, и регистрируемое n-м приемником светового излучения 8.1...8.N. Далее сопоставляют полученную массу М_n капель струи распыленной жидкости 2 с определенным ранее радиусом капель распыленной жидкости r_n путем калибровки, используя струю распыленной жидкости от эталонной форсунки, с известной гистограммой дисперсного состава капель распыленной жидкости, получая при этом гистограмму распределения капель по размерам для исследуемой форсунки.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает оперативное определение гистограммы дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, обусловленное тем, что мелкие капли, увлекаемые потоком воздуха, осядут быстрее крупных и пролетят меньшее расстояние от сопла распылителя до объема, пронизываемого световым излучением от n-го источника светового излучения.

Способ определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, заключающийся в том, что при постоянном давлении подводимой к форсунке жидкости ось струи жидкости, крупные капли которой летят дальше мелких, направляют горизонтально и производят оценку размеров капель, осевших вниз под действием силы тяжести, по расстоянию от форсунки, отличающийся тем, что в направлении действия силы тяжести по всей длине струи направляют поток воздуха с постоянной малой по сравнению со скоростью струи скоростью, а перпендикулярно направлению действия силы тяжести и параллельно друг другу на известном расстоянии от форсунки к струе пропускают световые лучи, расположенные последовательно в одной плоскости, таким образом, что их пересекают пролетающие капли, далее производят оценку размеров капель, осевших вниз, путем определения гистограммы дисперсного состава капель распыленной жидкости по регистрируемой относительной интенсивности световых лучей.