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  在当今全球能源和环境问题日渐凸显的背景下，清洁、高效燃烧技术的研究和开发变得尤为迫切。

  传统燃烧引擎所产生的尾气排放不仅对空气质量导致非常严重威胁，还对全球气候平均状态随时间的变化产生不可忽视的影响。因此，寻求新型燃料和燃烧方式的探索已成为一项势在必行的任务。

  本文旨在探讨一项重要的技术发展——单缸测试发动机经过完全改造和转变为快速压缩膨胀机（Rapid Compression Expansion Machine，RCEM）后，其在多火焰研究领域的应用。

  第三代SR光源经过优化，能够正常的使用摆动器和波荡器等插入装置来获得更高亮度、低发射率的光束，亮度值通常超过10 18 photons/s/mm 2 / mrad 2 /0.1%BW。

  大型超辐射设施通常被定义为电子能量超过 5 GeV 并能够从波荡器发射 X 射线的设施。目前，全球有超过 50 个 SR 源在运行。

  目前能量最高的三个大型存储环形同步加速器光源是法国的ESRF、美国的APS和日本的SPring-8。这些设施产生的光线通常比传统 X 射线源发出的光线明亮约十亿倍。

  作为第一个第三代光源，可提供 100 nm 至 1 μm 尺寸范围内极其明亮的光束。APS 和 SPring-8 设施具有相似的性能和设计参数，几年后投入到正常的使用中。电子能量是反映光源尺寸和成本的重要的条件，并将这三种硬 X 射线设备与其他较小的光源区分开来。

  所有这三个设施都有超过 30 条波荡器光束线向公众开放，并提供高能、高亮度和高穿透力的 X 射线束，很适合研究分子和原子的排列、探测材料相遇的界面、确定生物蛋白质相互依赖的形式和功能，并跟踪纳米尺度上发生的化学过程。

  这些较高能源设施得到了世界各地逐渐建成的另外的成本较低、中等能源光源的补充。SSRF 在光谱的红外和硬 X 射线区域之间的波段提供 SR X 射线年开始运行，电子能量为3.5 GeV，容量为13束线，是目前性能最高的第三代中能SR源。

  目前在燃料喷雾研究领域，人们主要关注喷雾破碎机制及其与喷嘴内部流动特性的相互作用。为了了解喷嘴内部流动特性，静态测量喷嘴内部结构参数和动态评估3D针运动的效果都是必要的，而瞬态喷雾形态测量是喷雾破碎机制。为此必须分别开发各种 X 射线成像技术和相应的实验光束线设置。

  SSRF的X射线成像和生物医学应用束线）是最早应用于燃料喷射研究的束线之一。该设施能够直接进行显微 CT 和在线相衬成像，作为检查燃油喷射器内部微观结构的手段。

  SSRF 目前正在建设一条 X 射线白束测试光束线，可用于超快成像设备和方法的测试和验证。作为一起努力的一部分，我们的研究小组已经使用定制的铝制 GDI 注射器对该束线处的 GDI 注射器针运动进行了分析。结果展示了针阀的升降过程及其偏心振动。

  还在这条光束线上进行了 GDI 喷雾近场特性的分析。使用160纳秒的曝光时间，跟踪在1兆帕注射压力下喷射液核的发展。为了保持该光束线的成像强度，一定要使用最短的曝光时间，因此由于光束线的通量输出有限，喷雾轨迹图像的精度没有正真获得优化。

  SSRF第二期光束线条新光束线，具有更高通量输出和更高时间分辨率的超快X射线成像光束线目前正在建设中。

  迄今为止，大量研究根据结果得出，喷嘴内部流动条件对喷雾发展特性起着至关重要的作用。与喷嘴内部结构相关的喷嘴内部流动的静态边界条件能够最终靠显微CT成像技术进行无损评估。

  喷嘴的内部几何参数，包括喷嘴孔口的长度和直径、k因子、孔口入口倒角半径和孔口表面特性，是影响内部流动的重要的条件。利用显微CT扫描方法和相应的数据处理程序，能够最终靠3D重建技术生成喷嘴几何形状的实际数字模型。

  在扫描过程中，喷嘴固定在样品旋转平台上，X 射线在撞击闪烁体之前穿透其尖端。使用电荷耦合器件 (CCD) 相机以 0.25° 旋转间隔总共记录 720 个图像。然后，通过重建过程将这些吸收图像转换为切片，以生成喷嘴的 3D 数字模型。

  喷嘴结构参数自动测量能够正常的使用基于二进制切片图像的专门图像处理程序来执行。此外，重建的模型可以导入计算流体动力学软件中，提供几何边界输入，生成可以反映喷嘴表面粗糙度和不均匀度影响的3D计算网格。

  所得到的 3D 数字模型的实际空间分辨率能够最终靠改变 CCD 相机和物镜之间的耦合来调整。使用不相同空间分辨率获取的 3D 数字模型的比较。很明显，通过更高的空间分辨率（1.625 × 1.625 μm）可以捕获更多有关喷嘴表面特征的信息，尽管这需要更长的数据采集时间（ 10 h）。

  在X射线显微CT技术应用于喷油嘴内部结构评估之前，燃油流动模拟一般是根据喷油嘴设计参数建立简化的、理想化的几何模型，与实际的喷油嘴结构存在比较大差异。因此，由于缺乏有关线D 喷嘴几何形状的信息，此类模拟将不可避免地偏离实际流动特性。

  比较了二维（2D）和3D模拟得到的喷嘴孔壁压力在方位角方向上的分布。分别测试两个单孔喷嘴，其中一个未经过液压接地，定义为Nozzle-NEG，而另一个经过液压接地，因此入口圆角半径值较大，定义为Nozzle -HEG。

  根据结果得出，2D 模拟中的压力几乎保持恒定，而 3D 结果则随着两个喷嘴 3D 模型的入口圆角半径的变化而逐渐变化。这一现象表明，孔口入口的圆角半径对孔口处的压力分布有显着影响，也证实了二维模拟在计算喷嘴内部流量时会引入较大的误差。

  鉴于孔口入口圆角半径与内部流动条件之间的高度相关性，进一步研究了该几何因素对喷雾特性的影响。结果表明，在喷雾稳定状态下，不同水力侵蚀研磨（HEG）次数的喷嘴表现出的喷雾行为差异显着。

  引入孔口入口圆角半径的标准偏差σ来修正喷雾锥角θ与喷嘴孔口结构参数（孔口长度L、入口和出口直径D ）之间的经典经验相关性和Do ，以及环境空气与燃料的密度比ρ a / ρ l )。提出了一种新的关联式，考虑了孔口入口圆角半径对稳态的影响，写为：

  大量研究表明，针阀不仅是控制喷油器内燃油流开启和关闭的开关，而且对喷雾形态和其他特性也有显着影响。针阀升程运动及其偏心振动被定义为喷嘴内流的动态边界条件，直接影响注射过程中喷嘴内流特性。

  因此，有必要获得注射过程中针阀3D运动的精确可视化。超快 X 射线相衬成像可以精确观察喷嘴囊体积内的空化形成过程以及针的 3D 运动。

  主要喷油器内部运动部件包括针阀、止回阀和衔铁。这些部件的运动直接影响注射延迟和注射流量特殊性质。然而，这些部件很难进行无损检查，因为它们被喷油器的厚金属壳覆盖。

  喷嘴下端的厚度通常大于3毫米，而上端的厚度则大于5毫米，这使得针运动的成像和分析具有很大的挑战性。在 SR X 射线成像技术应用于针运动测量之前，很难获得精确的 3D 针运动轮廓。

  传统的测量方法，例如使用电感式位移传感器、光纤位移传感器或激光位移传感器，都存在不可避免的局限性。相比之下，X射线成像具有不产生电磁干扰、无损、可进行高精度分析的优点，并能在不改变原有喷射器结构的情况下用于监测运动部件。

  高能、高通量SR X射线成像也是唯一可以跟踪这些部件动态运动的无损方法。利用超快X射线相衬成像技术，记录了整个喷射过程中柴油喷油器针阀的运动。

  基于固定针升程高度的静态模拟，已经对燃油喷射特性进行了许多数值研究。这些模拟结果与真实的情况存在不可忽略的差异。多项研究表明，稳定状态下针阀的最大提升高度并不是影响喷雾特性的唯一因素。事实上，针升程过程的动态特性也对喷雾发展产生重大影响。

  由于针尖与阀座之间的燃油流量与针阀升程高度直接相关，因此它决定了上游高压燃油通道与喷嘴囊之间的流速和压力梯度。

  因此喷嘴囊体积内的局部压力增量与动态针提升过程相关。随着针阀向上移动，液囊容积的局部压力逐渐增加，最终在针阀移动到其最大提升高度时达到标称注射压力。喷嘴出口处的燃料速度由喷嘴孔入口和出口之间的压力差决定，因此将经历类似的增加。

  针升程动力学与喷雾射流速度之间关系的研究。在针头初始张开阶段，轴向速度随着不同的注射脉冲维持的时间呈指数增加，并在针头达到某个临界高度后变得恒定。一旦达到这种稳定状态，即使针升程进一步增加，喷射轴向速度也保持不变。

  X射线相衬成像技术研究了瞬时针运动对初始喷雾形成的影响。发现明显的针振动会导致喷嘴附近流量的扰动，从而改变喷雾完整液体长度和流量破碎。在各个燃油喷射阶段获取的近场喷雾形态图像。

  这些根据结果得出在针阀初始打开阶段，近场喷雾就没有受到扰动，而在针阀最大升程时，由于更高的喷射速度和喷嘴内部湍流强度，流动扰动和喷雾破碎显着增强。

  针阀的偏心振动也是现代喷油器中内部流动扰动和孔与孔之间喷雾不均匀的重要原因。利用 X 射线相衬成像技术。分析了不同孔数柴油喷嘴偏心针运动与近喷嘴喷雾动力学之间的关系。

  偏心针运动和近喷嘴喷射轴向速度在喷射过程中表现出时间振荡 。使用不相同喷嘴和注射压力时，两种振荡都显示出相似的趋势，表明这两种振荡的相互依赖性。

  基于高速摄影、Schlieren成像、PIV和PDPA等传统光学测量技术的大量研究，汽车行业已经对喷雾二次雾化、燃油液滴汽化和缸内混合气形成有了比较全面的了解。然而由于可见光对高密度液体燃料的穿透有限，传统的光学测量方法只能捕获喷雾液体核心的整体轮廓。

  因此光学技术没办法检查喷雾初级破碎过程的瞬态微观特征。由于喷雾破碎在很大程度上受到喷嘴内空化和湍流的影响，因此主要使用透明喷嘴来监测喷嘴孔内的流量。即便如此，由于此类测试喷嘴与实际设备之间的差异，基于透明喷嘴的研究结果的可靠性仍然不确定。

  因此，喷嘴内部流动特性的可视化和喷雾液体核心区域的精确量化是研究高压喷射燃油雾化机理的主要难点。

  由于喷嘴囊体积被厚金属外壳包围，并且整个喷射过程在微秒内发生，因此传统的光学技术不能用于检查喷嘴内流动特性或燃料空化。相比之下SR X射线相衬成像能清楚地捕捉液-气界面，从而揭示空化气泡出现的过程。因此该技术可用于评估喷射器喷嘴内的 3D 两相流特性。

  喷嘴内部结构对喷雾特性的影响。据信这主要是由于燃料空化以及喷嘴囊和孔口内的流动不均匀造成的。SC X射线相衬成像结果证实了这一假设。

  微型 CT 扫描和 3D 重建技术可用于获得喷嘴的真实数字模型，显示真实条件下喷嘴内部几何形状对喷嘴内流动特性的影响。

  使用超快 X 射线相衬成像，可以将内部空化和针 3D 运动可视化。研究根据结果得出，针阀升程运动和偏心振动都会影响喷嘴内部流动特性。

  可以使用具有高空间和时间分辨率的超快 X 射线相衬成像技术来监测近场喷雾形态。使用X射线多重曝光和准单色X射线吸收技术能获得近场喷雾速度和密度分布，用于喷雾动力学的定量分析。

  随着 X 射线束线的一直在改进，喷雾破碎机制的研究有望取得进一步进展。基于与工业界的合作，这些进步将促进更先进的喷射技术的应用，以此来降低发动机的燃油消耗和排放。