對(duì)撞噴嘴噴霧場(chǎng)周向分布特性的實(shí)驗(yàn)研究

趙 娜，余永剛，陸 欣，李善德

（1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210094；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心文昌發(fā)測(cè)站，海南 文昌571300）

為了適應(yīng)微小型航天器的發(fā)展需要，目前許多國(guó)家正在競(jìng)相開發(fā)體積小、比沖高、環(huán)保性好和安全性高的化學(xué)微推進(jìn)系統(tǒng)［1］。美國(guó)NASA、歐洲航天機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了多次試驗(yàn)和初步評(píng)估［2］，認(rèn)為硝酸羥胺（HAN）基系列液體推進(jìn)劑是最具潛力的一種，它無(wú)毒、比沖高、價(jià)格低廉，有望成為新一代高能綠色推進(jìn)劑。為此，對(duì)于HAN基推進(jìn)劑的霧化特性國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列的研究工作［3－5］。

撞擊式噴嘴利用射流的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)液柱的破碎，具有響應(yīng)快、混合和燃燒迅速、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、電廠鍋爐、園林加濕造景等領(lǐng)域。關(guān)于對(duì)撞噴嘴的研究主要是圍繞對(duì)撞角度和噴射條件對(duì)霧化特性的影響而展開。黃鎮(zhèn)宇等［6］對(duì)大容量的撞擊式水煤漿霧化噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了噴嘴內(nèi)各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴霧化特性的影響。王端等［7］采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)入射管直徑為3mm、混合腔直徑為16mm的T型撞擊流混合器內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，考察了不同流速比和撞擊軸線上方空間條件下混合腔內(nèi)的速度和湍流動(dòng)能分布。結(jié)果表明，在相同入射管直徑和流速下，撞擊駐點(diǎn)位于混合腔中心處。Alekseenko等［8］使用PIV技術(shù)試驗(yàn)研究了湍流旋流撞擊射流的結(jié)構(gòu)，主要分析了旋流速率對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)于噴霧場(chǎng)分布均勻性問(wèn)題，Cohen等［9］在高溫高壓下測(cè)量了燃?xì)馔钙絿娮祆F化場(chǎng)的空間分布特性。在大功率條件下，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了燃油霧化場(chǎng)質(zhì)量流量的均勻分布情況。Chen等［10］在噴射壓力0.34～1.72MPa范圍內(nèi)，對(duì)5個(gè)噴口長(zhǎng)徑比為0.5～4.0的壓力式霧化噴嘴進(jìn)行了液滴周向分布測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在高噴射壓力下，霧化均勻性顯著提高；同時(shí)，當(dāng)噴嘴噴口長(zhǎng)徑比為1.5～2時(shí)，液滴周向分布均勻性最佳。Locke等［11］應(yīng)用平面激光誘導(dǎo)成像和平面Mie散射技術(shù)，研究了高壓燃?xì)馔钙饺紵覂?nèi)燃油噴嘴霧化場(chǎng)的燃料分布特性。本文采用對(duì)撞式噴嘴，借助相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)測(cè)試儀（PDA）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)在大氣環(huán)境中的霧化分布特性，側(cè)重分析前人研究較少的噴霧場(chǎng)參數(shù)周向分布特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖1所示，由高壓氣源提供噴射壓力，液體介質(zhì)儲(chǔ)存在耐壓儲(chǔ)液罐中。實(shí)驗(yàn)時(shí)先打開液體閥門，調(diào)節(jié)噴嘴前壓力到指定值。待霧化穩(wěn)定后，對(duì)相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀（PDA）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)先手動(dòng)調(diào)焦，使測(cè)量原點(diǎn)位于噴嘴出口中心處；然后在PDA配套的BSAFlow軟件中設(shè)置測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，系統(tǒng)便可自動(dòng)測(cè)量并采集需要的霧化液滴數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)噴嘴為兩股圓柱形對(duì)撞射流噴嘴，噴孔直徑為0.23mm，中心距為3mm，射流撞擊駐點(diǎn)距噴孔表面距離為5.6mm。

圖1 噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)液體工質(zhì)為HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)，借助PDA開展對(duì)撞噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究。其中，PDA速度測(cè)量范圍為－300～1 000m／s；粒徑測(cè)量范圍為0.5～200μm。圖2給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的坐標(biāo)系與數(shù)據(jù)處理的周向角定義圖。

圖2 數(shù)據(jù)處理坐標(biāo)系說(shuō)明

坐標(biāo)軸確定方法如圖2（a）所示。噴嘴出口方向?yàn)閦軸，其中心點(diǎn)為z軸起點(diǎn)。垂直于z軸的截面視為xoy平面，在該平面內(nèi)與z軸相交且平行于PDA測(cè)試光線方向?yàn)閤軸，y軸垂直于測(cè)試光線。x軸、y軸和z軸三者方向符合右手螺旋關(guān)系。

為了說(shuō)明霧化場(chǎng)參數(shù)的周向分布特性，定義圖2（b）所示周向角度α，取x軸正向?yàn)?°，x軸負(fù)方向?yàn)?80°，沿逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较蛉〗恰?/p>

2.1 液滴霧化參數(shù)周向分布特性

液滴尺寸與分布是衡量霧化質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，通常采用液滴尺寸分布表達(dá)式或者液滴平均直徑來(lái)評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量和表示霧化特性。在推進(jìn)與動(dòng)力裝置噴霧中最常用的是索特爾平均直徑D［12］32，其物理意義是表示與顆粒群粒形相同、比表面積相同的一個(gè)顆粒粒度：

式中：N是直徑為D的液滴數(shù)目，通常取Dmin＝0。

對(duì)撞射流形成的噴霧場(chǎng)，其周向分布一般是不均勻的。現(xiàn)以z＝80mm軸向截面為例，當(dāng)噴射壓力為2.2MPa時(shí)，x－y截面各個(gè)方向上測(cè)點(diǎn)處液滴索特爾平均直徑D32的分布如圖3所示，圖中每個(gè)小方塊代表測(cè)量點(diǎn)區(qū)域。由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境及操作條件引起的速度測(cè)量精度最大不超過(guò)0.1%；粒徑測(cè)量精度在1%以內(nèi)。

圖3 噴霧場(chǎng)x－y截面液滴D32分布云圖（p＝2.2MPa，z＝80mm）

由圖3可見(jiàn)，沿同一徑向方向，即測(cè)點(diǎn)1、2、3處，液滴D32先增大后減小。同時(shí)還可以看出，在同一測(cè)量半徑上，測(cè)點(diǎn)2（α＝270°），D32約為100μm，而在測(cè)點(diǎn)4（α＝180°），D32約為70μm。這說(shuō)明對(duì)撞射流在碰撞截面和垂直于碰撞面方向上的液滴D32大小有較大差異，反映了液滴空間數(shù)密度和液滴群碰撞聚合破碎的耦合特性。

圖4～圖6分別給出了液滴D32、液滴軸向速度vz和徑向擴(kuò)散速度vr在0.8～2.6MPa噴射壓力條件下，在距離噴嘴z＝50mm和z＝100mm軸截面上，離噴嘴中心軸線徑向距離r＝10mm周向上的分布特性。

綜合圖4（a）和圖4（b）可見(jiàn)，在較低噴射壓力下，液滴D32的分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高的噴射壓力下，距離噴嘴越遠(yuǎn)處，液滴D32的周向分布均勻性越差。

從圖4可以看出，液滴D32隨著噴射壓力的增加而減小，且液滴D32沿周向分布是不均勻的。統(tǒng)計(jì)學(xué)中，當(dāng)樣本數(shù)較少時(shí)，可以采用極差對(duì)物理量的離散程度進(jìn)行定性分析，極差值越大說(shuō)明離散程度越大，反之，離散程度越小。定義ΔD32＝D32，max－D32，min，表示同一條件下液滴粒徑分布的極差大小。表1給出了不同噴射壓力和不同軸截面上液滴粒徑分布極差值。

圖4 液滴D32在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

表1 液滴粒徑D32分布極差

由表1可以看出，在研究的噴射壓力范圍內(nèi)（0.8～2.6MPa），距離噴嘴不同軸截面上，液滴粒徑極差值均是隨著噴射壓力的增大先減小后增大，說(shuō)明液滴粒徑分布離散程度隨著噴射壓力的增加先減小后增大。同時(shí)可以看出，在較低噴射壓力下（p＝0.8～1.8MPa），液滴粒徑分布離散程度隨著軸向距離的增加而減??；在較高噴射壓力下（p＝2.2～2.6MPa），液滴粒徑分布離散程度隨著軸向距離z的增加而變大。

圖5和圖6所示的液滴軸向速度vz和液滴徑向擴(kuò)散速度vr表現(xiàn)出了和液滴D32相似的周向分布變化特性。在較低噴射壓力下，vz和vr分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高的噴射壓力下，vz和vr分布均勻性隨著軸向距離的增加變差。從圖中還可以看出，在距離噴嘴較近處z＝50 mm，液滴vz和vr隨壓力變化不大。在距離噴嘴較遠(yuǎn)截面上z＝100mm，液滴軸向速度vz隨著噴射壓力的增加而增加，液滴徑向擴(kuò)散速度vr隨著噴射壓力的增加而減小，但是當(dāng)壓力高于1.8MPa后，軸向和徑向速度值隨噴射壓力的變化也不明顯。

圖5 液滴vz在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

圖6 液滴vr在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

2.2 噴霧場(chǎng)周向分布特性的表征方法

關(guān)于噴霧場(chǎng)周向分布均勻性國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較少，本文采用 RNI（Radial Nonuniformity Index）理論［13］來(lái)定量表征噴霧場(chǎng)參數(shù)周向分布均勻性問(wèn)題。以物理量λ為例，其RNI表達(dá)式：

式中：s（λ）表示標(biāo)準(zhǔn)差；λmax，λmin分別表示λ測(cè)量值的最大值和最小值是測(cè)量算術(shù)平均值。由式（2）亦可以看出RNI（λ）介于0到1間，RNI（λ）值越大說(shuō)明分布均勻性越差。

借助RNI理論，對(duì)p＝0.8～2.6MPa噴射壓力范圍內(nèi)液滴霧化參數(shù)D32，vz，vr沿噴嘴軸向的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。為了研究方便，本文采用無(wú)量綱軸向距離z／Z（Z＝120mm）為橫坐標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。

圖7給出了不同噴射壓力下噴霧場(chǎng)周向（r＝10mm）液滴霧化參數(shù)的RNI值沿軸向的變化特性。由圖7（a）可見(jiàn)，在0.8～1.8MPa的噴射壓力下，RNI（D32）值隨著軸向距離的增加而減小；在2.2～2.6MPa噴射壓力下，RNI（D32）值隨著軸向距離的增加而略有增加。這說(shuō)明在沿軸向x－y平面內(nèi)，在較小噴射壓力（0.8～1.8MPa），液滴粒徑的周向分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高噴射壓力（2.2～2.6MPa），則規(guī)律性相反。RNI（vz）和RNI（vr）的軸向變化規(guī)律與 RNI（D32）類似。

圖7 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的軸向分布特性

綜上所述，RNI表征結(jié)果與圖4～圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，說(shuō)明采用RNI理論可以對(duì)液霧場(chǎng)周向分布特性進(jìn)行表征，它比常規(guī)方法簡(jiǎn)便很多。由圖7還可以看出，在p＝0.8～1.8MPa噴射壓力條件下，RNI（D32）、RNI（vz）和 RNI（vr）的值在z＝80mm后隨z的增加變化比較小。

圖8給出了噴射壓力p＝1.8MPa條件下，在不同軸截面上 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）沿徑向的分布規(guī)律，橫坐標(biāo)r／R（R＝30mm）為無(wú)量綱徑向距離。由圖8（a）可見(jiàn)，在本文研究的徑向范圍（r＝5～25mm）內(nèi)，對(duì)于z＝50mm 軸截面處，RNI（D32）隨著徑向距離r的增加先減小后增大；在r／R＝0.17，即r＝5mm 周向上，RNI（D32）＝0.545；r＝15mm 處，RNI（D32）＝0.528；r＝20 mm處，RNI（D32）＝0.626。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）值隨著r的增加基本不變，維持在0.52左右范圍內(nèi)。這說(shuō)明在此噴射壓力和研究的徑向距離范圍內(nèi)，在z＝50mm截面上，距離中心軸線越遠(yuǎn)處，液滴D32的周向分布均勻性越差；在z＝80～100mm截面上，液滴D32的周向分布均勻性隨r的變化不大。這說(shuō)明在該噴射壓力下，z＝50mm截面上，在r＝25mm的徑向位置處已經(jīng)接近霧場(chǎng)錐形分布的邊緣處，由于該處是分散的較小粒徑液滴，所以分布均勻性比較差。而z＝80～100 mm處于霧場(chǎng)湍動(dòng)充分發(fā)展后的主體段，在r＝25 mm的徑向范圍內(nèi)液滴粒徑分布比較均勻。

圖8 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的徑向分布特性（p＝1.8MPa）

液滴徑向擴(kuò)散速度vr沿徑向的周向分布特性和D32類似，如圖 8（c）所示。由圖 8（b）可見(jiàn)，RNI（vz）值在各截面上均是隨著r的增加先增大后減小，但有一定波動(dòng)性。這說(shuō)明在研究的軸截面上，液滴群軸向速度沿徑向的分布均勻性的總體趨勢(shì)是先變差后改善。

由 圖 8 還 可 以 看 出，RNI（D32），RNI（vz）和RNI（vr）值在z＝80～100mm截面上均比較接近，與圖7所示相關(guān)結(jié)果相同。這說(shuō)明噴霧場(chǎng)在z＝80mm已處于霧化主體段，其后一定軸向距離范圍內(nèi)的霧場(chǎng)參數(shù)分布特性比較類似。由于z＝50mm截面離對(duì)撞面較近，其上的參數(shù)分布波動(dòng)性比較大。

3 結(jié)論

在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，可以獲得如下結(jié)論：

①對(duì)撞射流形成的噴霧場(chǎng)，其霧化參數(shù)的周向分布是不均勻的，它與噴射壓力、空間坐標(biāo)等密切相關(guān)。在r＝10mm周向上，p＝0.8～1.8MPa噴射壓力范圍內(nèi)，液滴霧化參數(shù)D32，vz，vr的分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；p＝2.2～2.6MPa噴射壓力范圍內(nèi)，距離噴嘴越遠(yuǎn)處，液滴霧化參數(shù)的周向分布均勻性越差。

②采用RNI理論研究霧化場(chǎng)周向分布均勻性比常規(guī)方法更簡(jiǎn)便。研究結(jié)果表明，p＝1.8MPa時(shí)，在本文研究的徑向范圍內(nèi)（r＝5～25mm），z＝50mm軸截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）的值均是隨著徑向距離r的增加先減小后增大，說(shuō)明距離中心軸線越遠(yuǎn)處，其周向分布均勻性越差。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）隨著r的增加變化很小，維持在0.52±0.02范圍內(nèi)，其周向分布均勻性隨r的變化不大。RNI（vz）值在各截面上均是隨著r的增加先增大后減小，但有一定波動(dòng)性，這說(shuō)明vz在霧場(chǎng)各軸截面上分布均勻性的總體趨勢(shì)是隨著徑向距離的增加先變差后改善。

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