對(duì)撞式噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)噴霧特性研究

劉 焜，余永剛，趙 娜

（1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210094；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)712099）

在飛船、衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間探測(cè)器、多級(jí)運(yùn)載器等眾多航天器中，小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要擔(dān)負(fù)著姿態(tài)控制、軌道修正、軟著陸、航天器的對(duì)接和交會(huì)等任務(wù)，是現(xiàn)代空間飛行技術(shù)中不可缺少的一環(huán)［1－5］。燃料組元的霧化對(duì)提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、工作壽命、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有重要的影響［6－8］。為此，對(duì)于液體推進(jìn)劑在燃燒室中的霧化特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究工作。Yang等［9］運(yùn)用高速攝像裝置研究了膠體推進(jìn)劑經(jīng)由壓力旋流噴嘴霧化的過(guò)程，他們將噴霧過(guò)程分為4個(gè)階段，并分析了噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于噴霧形態(tài)的影響。Ajinkya等［10］對(duì)液體推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)的噴霧燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了霧化液滴的平均直徑、蒸發(fā)分解速率與燃燒室壓力和推進(jìn)劑質(zhì)量流量的關(guān)系。Tie等［11］采用激光診斷技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了燃燒室內(nèi)旋流噴嘴噴霧液滴的平均直徑分布。張海濱等［12］在自建的冷態(tài)橫流－旋流噴霧兩相摻混系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用粒子圖像測(cè)速法（PIV）測(cè)量了摻混通道內(nèi)氣液兩相摻混過(guò)程中液滴群的運(yùn)動(dòng)特性，獲得了摻混流場(chǎng)中不同位置的液滴分布圖像與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性。趙琳等［13］使用高速攝影儀和激光粒度儀拍攝和測(cè)量了不同噴射條件下直射式噴嘴霧化過(guò)熱流體的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，過(guò)熱度的增加、噴射壓力的增加和噴嘴長(zhǎng)徑比的減小都能夠改善燃料霧化效果。趙娜等［14］設(shè)計(jì)了四旋流槽離心式噴嘴和小尺度模擬燃燒室，采用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀（PDA）觀測(cè)了噴射壓力對(duì)模擬燃燒室內(nèi)霧化性能的影響，并引入離散系數(shù)的概念對(duì)噴霧場(chǎng)霧化參數(shù)的周向分布規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

本文采用三維PDA測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量了對(duì)撞式噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)的噴霧場(chǎng)參數(shù)，從液滴平均直徑、軸向速度和徑向速度的數(shù)目分布幾方面研究了對(duì)撞式噴嘴的霧化特性，側(cè)重分析了噴霧壓力對(duì)于噴霧場(chǎng)參數(shù)的影響，對(duì)于進(jìn)一步研究小尺度空間內(nèi)液體推進(jìn)劑的噴霧燃燒過(guò)程具有一定的參考價(jià)值。

1 噴霧實(shí)驗(yàn)裝置

噴霧實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)先對(duì)PDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)焦，將測(cè)量原點(diǎn)設(shè)置在2個(gè)噴嘴連線的中點(diǎn)處，然后打開儲(chǔ)液罐閥門，調(diào)節(jié)高壓氣源閥門使噴嘴前壓力達(dá)到指定值，待噴霧穩(wěn)定后運(yùn)用BSAFlow軟件設(shè)置PDA測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用PDA測(cè)試系統(tǒng)的主要性能：速度測(cè)量范圍－300～1 000m／s，速度測(cè)量精度0.1%；粒徑測(cè)量范圍0.5～200μm，粒徑測(cè)量精度1%。霧化介質(zhì)為模擬推進(jìn)劑工質(zhì)，粘度為1×10－3Pa·s，實(shí)驗(yàn)時(shí)噴霧壓力分別取1.8MPa和3MPa。實(shí)驗(yàn)采用的雙股圓柱形撞擊式噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴孔直徑d0＝0.23mm，中心距l(xiāng)0＝3mm，雙股射流間的撞擊角2θ＝30°。

坐標(biāo)軸確定方法如圖3所示。噴嘴出口方向?yàn)閦軸，2個(gè)噴嘴連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O。垂直于z軸的截面視為Oxy平面，在該平面內(nèi)與z軸相交且平行于2個(gè)噴嘴連線方向?yàn)閤軸，y軸垂直于噴嘴連線。x軸、y軸和z軸三者方向符合右手螺旋關(guān)系。為了便于說(shuō)明霧化場(chǎng)參數(shù)的分布特性，采用柱坐標(biāo)形式定義測(cè)量點(diǎn)位置。如圖所示，周向角度α取x軸正向?yàn)?°，沿順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较蛉〗牵练秶鸀?～180°。r為原點(diǎn)O到測(cè)量點(diǎn)在平面Oxy上的投影點(diǎn)間的距離。z為測(cè)量點(diǎn)到Oxy平面的距離。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

圖3 坐標(biāo)系示意圖

實(shí)驗(yàn)采用小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模擬燃燒室如圖4所示。模擬燃燒室由有機(jī)玻璃加工制成，總高度為130mm。燃燒室主體呈圓柱形，內(nèi)徑70mm，出口段為一收斂噴管，出口內(nèi)徑35mm。為了便于采集數(shù)據(jù)，在模擬燃燒室壁面上開有周向180°的透光槽，槽道寬度5mm。實(shí)驗(yàn)選取距噴嘴距離為25、50、80、100mm共4個(gè)測(cè)量截面。每個(gè)截面上以每間隔30°按測(cè)量點(diǎn)與原點(diǎn)O在截面上的投影點(diǎn)間的距離r＝0、5、10、15、20、25mm 取6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)36個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，截面上測(cè)量點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4 模擬燃燒室

圖5 截面上測(cè)量點(diǎn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴霧場(chǎng)液滴平均直徑的數(shù)目分布

圖6為模擬燃燒室內(nèi)，噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa工況下，霧化液滴平均直徑D30的數(shù)目分布P。圖6（a）中，在p＝1.8MPa工況下，D30的數(shù)目分布主要集中在54～94μm，其中各區(qū)間內(nèi)的液滴數(shù)較為接近，最大值出現(xiàn)在78～86μm區(qū)間，占液滴總數(shù)的18.5%，最小值為62～70μm區(qū)間內(nèi)的13.9%。在大于94μm和小于54μm的各區(qū)間內(nèi)，液滴數(shù)呈正態(tài)分布，越向兩端發(fā)展，液滴數(shù)越小。而在圖6（b）中，p＝3MPa工況下D30的數(shù)目分布整體上表現(xiàn)為正態(tài)分布的特點(diǎn)，峰值出現(xiàn)在54～62μm區(qū)間，為液滴總數(shù)的29.8%。與p＝1.8MPa相比，p＝3MPa時(shí)，液滴數(shù)在小于54μm的各區(qū)間內(nèi)明顯增大，46～54μm區(qū)間內(nèi)由5.5%增至23.5%，38～46μm區(qū)間內(nèi)由3.6%增至19%，30～38μm區(qū)間內(nèi)由0.5%增至1.9%。而在大于70μm的各區(qū)間內(nèi)液滴數(shù)顯著減少，分別是70～78μm內(nèi)的18.1%減少至5%，78～86μm內(nèi)的18.5%至3.6%，86～94μm內(nèi)的14%至0.4%，在94～102μm和102～110μm區(qū)間內(nèi)，液滴數(shù)由2.8%、1.3%減少至0。因此可見(jiàn)，噴霧壓力增大，液滴平均直徑D30的正態(tài)分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發(fā)展。

圖6 液滴平均直徑D30的數(shù)目分布

2.2 液滴軸向速度的數(shù)目分布

圖7 、圖8分別給出了在噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa工況下，模擬燃燒室內(nèi)與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個(gè)截面上，霧化液滴軸向速度u的數(shù)目分布。由圖7（a）可見(jiàn)，在z＝25mm截面上，液滴主要集中在21～33m／s區(qū)間內(nèi)，峰值出現(xiàn)在24～27m／s速度段內(nèi)，為36.1%，21m／s以下的速度段呈不規(guī)則分布。與圖7（a）相比，圖7（b）中z＝50mm 截面上，最大液滴數(shù)仍在24～27m／s速度段，為35.6%。在30～33m／s段的液滴數(shù)分布P由12.5%減少到5.2%，在21～24m／s段由11.8%增加到16.4%，27～30m／s段由27.6%增加至30.4%。圖7（c）中，液滴數(shù)在21～24m／s速度段內(nèi)為28.2%，在24～27m／s速度段 內(nèi)達(dá)到52.8%。圖7（d）中，在18～21m／s和21～24m／s段內(nèi)的液滴數(shù)分別為42%和39.6%。綜合圖7中液滴軸向速度數(shù)目分布的變化說(shuō)明，隨著噴霧向下游發(fā)展，液滴軸向速度u的數(shù)目分布向小速度方向偏移。

圖7 p＝1.8MPa工況液滴軸向速度的數(shù)目分布

圖8 p＝3MPa工況液滴軸向速度的數(shù)目分布

與圖7相比，圖8中p＝3MPa工況下，z＝25mm和z＝50mm截面上，液滴軸向速度的數(shù)目分布區(qū)別不大，而在遠(yuǎn)離噴嘴的z＝80mm和z＝100mm截面上，在24m／s以上速度段內(nèi)的液滴數(shù)出現(xiàn)明顯的不同。圖8（c）中，處于24～27m／s速度段的液滴占總數(shù)的36%，小于圖7（c）中的52.8%，27～30m／s段液滴數(shù)仍有16.1%，而圖7（c）中該段已不存在液滴。圖8（d）中，24～27m／s速度段內(nèi)液滴數(shù)為25.6%，對(duì)應(yīng)的圖7（d）中該速度段內(nèi)液滴數(shù)為0。因此可見(jiàn)，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠(yuǎn)的截面上，軸向速度u的損失越小。

2.3 液滴徑向速度的數(shù)目分布

圖9、圖10分別顯示了在噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa時(shí)，模擬燃燒室內(nèi)與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個(gè)截面上，霧化液滴徑向速度v的數(shù)目分布。圖7中，液滴徑向速度隨測(cè)量截面與噴嘴之間距離的變化主要體現(xiàn)在0.2～0.5m／s區(qū)間內(nèi)的速度段上，0.5m／s以上速度段內(nèi)液滴較少且分布隨機(jī)。以0.3～0.4m／s速度段為例，圖7（a）～圖7（d）中該速度段內(nèi)液滴數(shù)依次遞增，分別為31.8%、33.6%、40.9%和41.7%。表明在模擬燃燒室內(nèi)，距離噴嘴越遠(yuǎn)，霧化液滴徑向速度v的數(shù)目分布趨向某一狹窄速度段。相應(yīng)地，圖10中，0.3～0.4m／s速度段內(nèi)液滴數(shù)依次為42.6%、47.8%、47.2%、49.4%，較圖9中該段液滴數(shù)均有所上升。說(shuō)明噴霧壓力越大，液滴徑向速度v分布的集中趨勢(shì)越明顯。

圖9 p＝1.8MPa工況液滴徑向速度的數(shù)目分布

圖10 p＝3MPa工況液滴徑向速度的數(shù)目分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用三維PDA測(cè)試系統(tǒng)，研究了對(duì)撞式噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)的噴霧特性，得到了液滴平均直徑、軸向速度和徑向速度的數(shù)目分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧壓力增大，液滴平均直徑D30的正態(tài)分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發(fā)展。隨著噴霧向下游發(fā)展，液滴軸向速度u的數(shù)目分布向小速度方向偏移，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠(yuǎn)的截面上，u的損失越小。距離噴嘴越遠(yuǎn)，霧化液滴徑向速度v的數(shù)目分布趨向某一狹窄速度段，且噴霧壓力越大，這種分布趨勢(shì)越明顯。

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