基于干涉粒子成像(IPI)的直喷汽油机喷雾场微观特性测量及关键技术研究

An insight into the fuel distribution characteristics of the fuel injection process of the direct injection gasoline engine is of great significance to studying combustion of the internal combustion engine. The subject aims at, which combines the interferometric particle imaging(IPI) with the particle image velocimetry(PIV) techniques, studying the theories and techniques concerning the measurement of droplet size, velocity, size distribution, spatial distribution and the in-cylinder air gas phase velocities,etc. The high-precision algorithm of extracting the number of fringers/fringe spacing of interferogram from high-density particle field is presented and the postion extracting method of the focused images is also proposed, to work out the problems extracting of overlapping images in high-density particle field. The optical method of diagnosing the the process of droplet vaporization, coalescence and breakup is presented by using the fringes change of interferogram, and an algorithm for tracking and identifying particles is studied. An experimental system setup for measuring the spray field of the internal combustion is developed; the high-precision high-speed automatic IPI image software packages are completed. The interactivity mechanism of liquid and gas in two phases and the evaporation mechanism of spray droplet are explored to provide theories for improving the micro-characteristics of spray of the present direct injection system and developing a diagnostic method of measuring spray in internal combustion engine. The research results will have important application value in studying the spray characteristics and combustion of internal combustion engine, and wide application prospect.

探明直喷汽油机燃油喷射过程的燃油分布特性对内燃机燃烧研究具有重要意义。本课题拟结合激光干涉粒子成像(IPI)技术和粒子图像测速(PIV)技术，研究喷雾液滴粒子尺寸、速度、粒度分布、空间分布及气缸内空气速度等测量理论和技术，提出一种高密度高精度的粒子干涉条纹数/条纹间距提取算法，以及聚焦像位置提取算法，以解决高密度粒子场测量中重叠条纹图提取问题。提出一种基于IPI条纹变化研究液滴蒸发、聚合及破碎过程的光学诊断方法，研究粒子跟踪识别算法，研制适用于内燃机喷雾场测量的实验系统装置，开发自动、高速、高精度的IPI 图像处理软件包，尝试探索缸内直喷高速射流气液两相相互作用机理及喷雾液滴蒸发机理，为改善现有直喷系统喷雾微观特性及开发新型燃油直喷系统提供理论依据，为内燃机喷雾场测量提供一种诊断方法。这一研究成果将在内燃机喷雾特性研究、内燃机燃烧等方面具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

闪急沸腾喷雾油滴的直径及速度分布对GDI（直喷汽油机）缸内混合气的形成有重要影响，本课题基于干涉粒子成像(IPI)技术，从理论和实验上，对GDI喷雾场微观特性测量及关键技术进行了研究。基于傅立叶光学理论，建立了IPI模拟模型，用于模拟IPI成像过程。提出基于腐蚀匹配、单向梯度匹配和傅立叶变换技术的粒子条纹图位置及条纹数/条纹间距提取方法，利用m-Rife、i-Rife方法对频率进行亚象素细分，分析了条纹图重叠对粒子识别率及条纹频率提取的影响。提出一种基于模版匹配相关的两点像定位方法，及基于自相关和Gaussian插值的两点像间距提取算法。设计并完成了粒子定位测量的验证性实验，基于条纹模式和点模式，对标准粒子进行了测量，研究结果证明了算法的有效性。.在粒子散射光分析方面，提出一种新的计算包覆粒子散射光强的GOA 模型，给出了散射光计算表达式。该模型参数化各阶GOA光线，考虑了简并光线和重复光线，简化了计算公式，并与Aden-Kerker理论、Debye级数展开模型计算结果进行了比对，吻合很好。将矩阵的奇异值分解方法引入到颗粒散射的光能矩阵特性分析中，用于激光粒度仪测量上限研究，给出了测量上限的解析表达式，实验验证了其正确性。.在喷雾微观特性测量方面，设计并搭建了一种基于两光束双向照明，在散射角90º方向记录的IPI实验光路系统，结合PTV技术，实现喷雾液滴粒径和速度的同时测量。对正己烷、正庚烷、正戊烷及汽油喷雾场的微观特性(液滴直径、液滴速度)进行实验研究。研究结果表明，喷雾的闪急沸腾现象对喷雾场粒径的空间分布具有决定性的影响，对油滴的速度分布不具有决定性的影响。气流的卷吸作用和液滴之间的碰撞与聚合作用对粒径空间分布有重要影响。在剧烈闪急沸腾阶段，油滴中气泡的微爆作用促进了燃油的雾化，从而形成较为均匀的粒径场。.发表学术论文7篇，SCI索引5篇（IF>2的2篇）。毕业博士1人，硕士4人，在读博士生1人，硕士生1人，参加国际会议1次，国内会议3次，作4次分组报告。