实验系统(见图1)由工作介质供给系统、反压系统、液膜厚度测量系统和数据采集系统组成。高压氮气用于挤压储罐中的介质,迫使供给液通过调节阀进入主管路。为了提供不同的环境压力,设计制造了如图2所示的高压舱。高压舱由304不锈钢制成,高度546 mm,内径154 mm,通过使用另一条氮气供给管路进行充压,最高可以提供3 MPa的环境背压,背压波动范围在5%以内,且具有带气体吹扫功能的3方向光学观察窗口; 底部装有阀门,便于调节舱内压力。管路来流经模型喷嘴(见图3,结构参数见表1)在高压舱内实现喷注雾化。位于高压舱顶部的压力传感器可实现对舱内压力实时监测,测量范围为0~4 MPa,精度可达0.5%。数据采集系统采用江苏东华校准测试有限公司的DH5922D动态信号测试分析系统,系统采样频率可达256 K,可同时对16路信号实时采集。
图1 实验系统示意图
Fig.1 The schematic of the experimental system
图2 高压舱实物图
Fig.2 High pressure chamber
采用电导测量法测量喷口处液膜厚度,两个环形电极安装在离心喷嘴出口附近,如图3所示,根据电导的定义,当喷注介质在两个电极之间流动时,由于液膜厚度的变化,两个电极之间的电阻Rring变化可表示为
Rring=ρL/S(1)
式中:ρ为环形液膜电阻率; L为环形液柱长度; S为液柱的环形截面积,其可表示为
S=π[r2-(r-h)2](2)
式中:r表示喷口出口半径; h为液膜厚度。
将式(2)代入式(1)中,便可得到液膜厚度与液柱电阻的关系为
因此,可通过测量液体电阻来获得液膜厚度值。
图3 离心喷嘴结构及电导法示意图
Fig.3 Schematic of the conductance method and the swirl injector
表1 实验离心喷嘴结构尺寸
Tab.1 Geometry of experimental injector
为了校准液膜测量系统,在旋流室的轴线上插入不同直径(φ1~1.8 mm,每隔0.05 mm取一根)的陶瓷针规。将上游阀门适当开启,以保证喷注压降不会使产生的气核直径大于陶瓷针规,当喷注介质在不同尺寸校准棒与喷口壁之间填充时,产生不同厚度的液膜,对应输出不同电压信号值,如图4所示。
采用电导法测量液膜厚度的方法存在若干不确定度。首先,在标定液膜厚度时采用了陶瓷针规作为标定棒,该标定棒的加工本身存在一定误差,其加工公差为0.001 mm,假设其误差服从正态分布; 不确定度的另一个来源为测试环境的变化,如测试介质电导率的变化等,为了减小该类不确定度,本实验测试介质采用自行调配的盐水溶液(10 L蒸馏水加1 g盐)进行实验; 另一个不太重要的不确定度引入源于该种方法本身,其所测液膜厚度实际为两电极间平均液膜厚度,由于两电极间距离远小于表面波波长,因此可认为电极间液膜厚度为常数。测量的不确定度可分为A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度采用统计分析的方法对被观测数据评定,主要由测量重复性引起,即为多次测量所得液膜厚度的标准差; B类不确定度一般先确定影响量引起被观测值变化的范围,即标定棒、环境因素等不确定度来源的置信区间宽度,再与置信系数相除便可求得。由表2可以看出,测量液膜厚度的合成不确定度为0.017 mm,符合一般传感器要求。
图4 液膜厚度实测值及其标定曲线
Fig.4 Measurement value of liquid film thickness andcalibration curve
表2 液膜厚度测量不确定度
Tab.2 The uncertainty of film thickness measurement