概述

盡管噴霧在材料沉積、切割和混合等工業(yè)過程中的應(yīng)用十分廣泛，但大多數(shù)噴霧裝置的設(shè)計和測試仍然以現(xiàn)象學(xué)為主，這不僅是因為計算能力有限，還因為對驅(qū)動噴霧破碎和形態(tài)的多相流體現(xiàn)象的基本理解存在差距1,2。因此，發(fā)展對噴霧的第一性原理理解的關(guān)鍵之一是設(shè)計出在渾濁噴霧區(qū)域進行測量的方法，特別是可以洞察流體運動和噴霧混合中起作用的力的測量方法。

最近，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員展示了一種用于湍流穩(wěn)定噴霧的時間選通彈道成像 (BI) 的三脈沖配置;該技術(shù)利用一對超快科學(xué)ICCD 相機，可以獲取時間相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)。

研究人員報告稱，新方法可以對噴霧的液氣界面進行成像，其中剪切力和湍流不穩(wěn)定性會將液體分解。隨后將區(qū)域匹配分析應(yīng)用于時間相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)，以計算已解析流體結(jié)構(gòu)的速度和加速度。

本應(yīng)用說明將概述由查爾姆斯大學(xué)燃燒系應(yīng)用力學(xué)教授 Mark Linne 博士領(lǐng)導(dǎo)的小組所開展的一些新穎的工作。

實驗設(shè)置

查爾姆斯大學(xué)的實驗裝置(如圖 1 所示)使用強烈的超快光脈沖和專門的檢測技術(shù)，將高質(zhì)量的成像光與漫散射的背景光分開。感興趣的區(qū)域被一系列相干的超快脈沖照亮，這些脈沖由一個振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器為三個匹配的再生放大器提供種子。

圖 1. (a) 時間圖和 (b) 三脈沖時間選通彈道成像的成像裝置(M = 鏡子，P = 偏振器，BS = 分束器，BD = 光束收集器，ICCD = 增強型 CCD 相機)。來自三個放大器的光源組合在一起，提供三個超快脈沖的高能序列。每個光源脈沖被分成成像和切換路徑，以驅(qū)動克爾效應(yīng)快門并生成一個彈道圖像。1圖表由查爾姆斯大學(xué)(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次發(fā)表于 D.Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

通過將離開克爾門的光信號分成兩個檢測路徑，最終收集來自每個源脈沖的高質(zhì)量成像光。圖像由兩臺普林斯頓儀器PI-MAX ? 4 科學(xué) ICCD 相機采集，該相機配備有通過光纖粘合到行間傳輸 CCD 上的增強器。增強器的增益響應(yīng)可以

門控到 5 納秒，并且使用行間傳輸傳感器的掩蔽存儲區(qū)域與專門的 PI-MAX4 讀出模式配合使用，兩臺相機中的每一臺都可以生成一對相隔450 納秒的圖像。因此，每個單獨的 PI-MAX4 都可以設(shè)置為捕獲連續(xù)圖像脈沖(即每臺攝像機兩幅圖像)。通過這種布置，每個脈沖序列可產(chǎn)生噴霧的三幅時間相關(guān)圖像。

數(shù)據(jù)與結(jié)果

查爾姆斯大學(xué)穩(wěn)定噴霧裝置用于設(shè)置受控測試案例，以測量渾濁環(huán)境中的流體速度和加速度。獲取了從平孔噴嘴(L/d = 25)噴出的水霧(P inj = 19 bar)的三重圖像，用于動態(tài)彈道成像分析。圖 2 顯示了其中一個三重圖像。

圖 2 . 時間相關(guān)彈道圖像顯示噴嘴下方 28 毫米處湍流噴霧的分裂(直徑 6 毫米)。視圖包括噴霧外圍，流動從上到下(流速 ~60 lpm)。圖像 I1、I2 和 I3 以 10 μs 的間隔顯示相同的 8.6 毫米視野。1 圖片由查爾姆斯大學(xué)(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次發(fā)表于D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

查爾姆斯大學(xué)三脈沖 BI 系統(tǒng)的主要目標(biāo)是能夠獲取空間分辨的時間序列數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以進行分析以跟蹤成像結(jié)構(gòu)中的運動和變化。通過選擇性匹配目標(biāo)圖像區(qū)域的結(jié)構(gòu)，比較序列中的連續(xù)圖像并計算每個時間步的速度矢量。通過計算協(xié)調(diào)的速度矢量集，可以利用從多個時間步獲取的時間分辨位移信息來估計高階運動分量。

使用三脈沖 BI 系統(tǒng)成像的噴霧速度結(jié)果表明，流向運動較大，徑向變化較小。加速度結(jié)果表明，液體結(jié)構(gòu)在正徑向受到加速，在流向受到減速。這些結(jié)果表明湍流和剪切力都會影響液體射流的分裂。

有關(guān)實驗裝置的更詳細描述以及對結(jié)果及其推導(dǎo)的深入討論，請參閱 D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。查爾姆斯理工大學(xué)正在進行的相關(guān)研究包括使用短脈沖、時間門控、反向散射裝置，旨在提供有關(guān)霧化噴霧形成區(qū)域的信息。

新的ICCD相機技術(shù)

得益于普林斯頓儀器公司開發(fā)的創(chuàng)新皮秒門控技術(shù)，PI-MAX4 科學(xué) ICCD 相機平臺(見圖 3)現(xiàn)在速度更快。這項門控技術(shù)充分利用了普林斯頓儀器公司先進的電子設(shè)備和增強器到 CCD 光纖粘合的性能優(yōu)勢，使 PI-MAX4:1024i ICCD 相機能夠以<500 ps 的速度門控傳統(tǒng)圖像增強器(通常實現(xiàn) ~2 至 3 ns 門控)，而不會影響量子效率。普林斯頓儀器內(nèi)置的 SuperSynchro 可編程定時發(fā)生器進一步增強了 PI-MAX4 相機在高精度、時間分辨應(yīng)用中的實用性。

圖 3. PI-MAX4：1024i ICCD 相機采用光纖粘合到行間傳輸 CCD 的幾種 Gen II 或 Gen III 無膠片增強器之一，以接近視頻的速率(每秒 26 幀)運行。

PI-MAX4 系列的另一款產(chǎn)品是 PI-MAX4:2048f，其成像面積和分辨率是目前市場上任何其他科學(xué) ICCD 相機的四倍。這款大尺寸相機使用2k x 2k CCD，通過光纖耦合到多個 25 毫米直徑的 Gen II 或 Gen III 無膠片增強器之一，提供內(nèi)置 SuperSynchro、高幀速率(6 MHz/16 位數(shù)字化)和1 MHz持續(xù)門控重復(fù)率。

使用普林斯頓儀器公司最新版本的 64 位 LightField? 數(shù)據(jù)采集軟件(可選)可以輕松全面控制所有 PI-MAX4:1024i 和 PI-MAX4:2048f 硬件功能。通過極其直觀的 LightField 用戶界面，可以精確控制增強器門寬度和延遲，并提供一系列新功能，方便捕獲和導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇