大氣環(huán)境中雙股自擊式噴嘴霧化液滴的運(yùn)動特性

劉 焜， 余永剛， 趙 娜, 王珊珊

(1. 南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094； 2. 西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099; 3. 中國艦船研究設(shè)計中心， 湖北 武漢 430064)

1 引 言

噴嘴的霧化和混合性能直接影響著液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的穩(wěn)定性和可靠性。雙股自擊式噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短、霧化效果好的特點，是液體火箭發(fā)動機(jī)中最常用的一種噴注器[1-3]。

目前關(guān)于雙股自擊式噴嘴的研究主要集中在撞擊力的分布、液膜破碎機(jī)理、噴霧過程特征等方面。Ibrahim等[4-5]觀測了雙股射流對撞霧化實驗后，根據(jù)液膜韋伯?dāng)?shù)大小提出了兩種液膜破碎機(jī)理：韋伯?dāng)?shù)小于2000時液膜破碎由泰勒心形波動決定；韋伯?dāng)?shù)大于2000時凱文-亥姆霍茲不穩(wěn)定波動成為液膜破碎的主導(dǎo)因素。此外，他還提出了一個二維非線性模型，預(yù)測了液膜的厚度和形態(tài)和霧化液滴直徑，與實驗結(jié)果吻合較好。Vassallo等[6]實驗測量了噴嘴雷諾數(shù)從3000到7500工況下90°夾角雙股射流和45°夾角四股射流的撞擊霧化場參數(shù)分布。Anderson[7]和Ryan[8]等人，分別研究了不同射流條件和幾何結(jié)構(gòu)下的自擊式噴嘴霧化場特性，并對射流撞擊形成的液膜建立了數(shù)學(xué)模型以分析導(dǎo)致液膜不穩(wěn)定性的因素。Ri[9]等在Ibrahim的理論基礎(chǔ)[4-5]上發(fā)展出液膜的五步破碎機(jī)理，指出液膜的雷諾數(shù)與噴嘴的雷諾數(shù)呈對應(yīng)關(guān)系，破碎時液膜的尺寸與邊緣處的韋伯?dāng)?shù)線性相關(guān)，系數(shù)與撞擊角度有關(guān)。Jung等[10]分別研究了層流和湍流狀態(tài)下液膜的破碎過程，并且上溯到撞擊前射流的狀態(tài)，探討了射流的空泡現(xiàn)象對于霧化性能的影響。Chen等[11]采用流體體積模型(VOF)[12]結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)(AMR)[12]模擬了射流撞擊后液膜形成到破碎成液滴的過程。Inamura等[13]研究了射流撞擊后液膜的速度分布，并推廣到霧化液滴的速度分布。Jayaprakash等[14]設(shè)計了以煤油和鋁粉為主要成分的凝膠推進(jìn)劑雙股自擊式噴嘴霧化實驗裝置，通過改變噴嘴的出口直徑、噴射夾角和噴嘴壓降測量了液滴直徑分布、噴霧破裂長度和霧化角變化。

孫紀(jì)國等[15]運(yùn)用激光散射測粒儀和探針研究了40°撞擊角雙股自擊式噴嘴的霧化質(zhì)量和流強(qiáng)分布，統(tǒng)計分析了該噴嘴冷試驗和在液氧介質(zhì)下熱試驗時的噴嘴流量系數(shù)。宋玉寶等[16]利用FAM型激光粒度儀對自擊式噴嘴的霧化特性進(jìn)行了測試，并采用Monte Carlo法[12]建立了對撞噴嘴霧化液滴粒度分布模型。楊立軍等[17]研究了凝膠推進(jìn)劑雙股射流撞擊后液膜的破碎過程并進(jìn)行了數(shù)值模擬。趙娜等[18]采用RNI理論對雙股自擊式噴嘴噴霧場參數(shù)的分布均勻特性進(jìn)行了定量分析。目前，各國學(xué)者的研究工作普遍采用實驗測量與理論分析相結(jié)合的方式進(jìn)行，然而關(guān)于噴嘴的霧化機(jī)理仍然處于累積階段。

本研究采用三維相位多普勒粒子動態(tài)測試系統(tǒng)(PDPA)，測量了大氣環(huán)境下雙股自擊式噴嘴的流場參數(shù)，從液滴直徑、軸向速度和徑向速度等方面分析了噴嘴的霧化特性，側(cè)重分析了前人研究較少的霧化液滴速度的周向分布和數(shù)目分布，以期為雙股自擊式噴嘴的霧化機(jī)理研究提供參考。

2 噴霧實驗裝置

圖1為噴霧實驗裝置，包括噴嘴、壓力計、流量計、PDPA、壓縮機(jī)、儲液罐、調(diào)節(jié)閥等。其中PDPA測試系統(tǒng)由激光器、入射光單元、接收光單元、光電轉(zhuǎn)換器、信號處理器及計算機(jī)等組成。本實驗PDPA測試系統(tǒng)的主要性能： 速度測量范圍 -300～1000 m·s-1，測量精度0.1%； 液滴直徑測量范圍 0.5～200 μm，測量精度1%。

實驗采用的雙股自擊式噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴孔直徑d0為0.23 mm； 中心距l(xiāng)為3 mm； 兩股射流間的撞擊角2θ為30°。噴嘴加工采用激光校準(zhǔn)打孔，誤差率小于0.1%。霧化工質(zhì)采用模擬液體推進(jìn)劑，粘度為1×10-3Pa·s，噴嘴壓降分別取2.2 MPa和2.6 MPa。

圖1 噴霧實驗裝置

Fig.1 Scheme of the spray system

圖2 雙股自擊式噴嘴示意圖

Fig.2 Sketch diagram of the impinging nozzle

坐標(biāo)軸確定方法如圖3所示。噴嘴出口方向為z軸，兩個噴嘴連線的中點為坐標(biāo)系原點O。垂直于z軸的截面視為xoy平面，在該平面內(nèi)與z軸相交且平行于兩個噴嘴連線方向為x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。為了便于說明霧化場參數(shù)的分布特性，采用柱坐標(biāo)形式定義測量點位置。所示周向角度α，取x軸正向為0°，沿順時針方向為正方向取角。r為原點O到測量點在平面xoy上的投影點間的距離。z為測量點到xoy平面的距離。

圖3 坐標(biāo)系示意圖

Fig.3 Sketch diagram of coordinate system

圖4 截面上測量點布置圖

Fig.4 Distribution of measuring points on section

本實驗系統(tǒng)是開放性噴霧系統(tǒng)，霧化形成的霧滴就是流場中的顆粒相，作為PDPA系統(tǒng)測試的示蹤粒子，獲得噴霧流場的運(yùn)動特性。實驗采用三維PDPA測試系統(tǒng)，PDPA光束交點即為數(shù)據(jù)測量點。實驗選取距噴嘴距離為25,50,80,100 mm共4個測量截面，每個截面上以每間隔30°按測試點與原點O在截面上的投影點間的距離r=0,5,10,15,20,25 mm取6個實驗點，共計61個測量點進(jìn)行測量，截面上測量點布置如圖4所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 噴霧場液滴平均直徑與數(shù)目分布

實驗測量了噴嘴壓降(p)2.2，2.6 MPa下液滴體積平均直徑D30。圖5給出了不同噴嘴壓降下霧化液滴平均直徑D30沿軸向的變化。由圖5可以看出，當(dāng)p=2.2 MPa時，z=25 mm，D30=44.26 μm；z=100 mm，D30=61.26 μm； 當(dāng)p=2.6 MPa時，z=25 mm，D30=42.88 μm；z=100 mm，D30=55.49 μm。說明液滴平均直徑D30均隨著測量截面與噴嘴的軸向距離增加而變大，這是由于距離噴嘴越遠(yuǎn)，液滴速度越小，液滴發(fā)生碰撞聚合的概率越大，液滴平均直徑也就越大。

圖5 霧化液滴平均直徑D30沿軸向的變化關(guān)系

Fig.5 Mean diameter (D30) of the droplets changing with the axis

a.p=2.2 MPab.p=2.6 MPa

圖6 液滴平均直徑D30的數(shù)目分布

Fig.6 Number distribution ofD30for droplets

圖6為噴嘴壓降2.2，2.6 MPa下液滴平均直徑D30的數(shù)目分布。由圖6可以看出，兩種壓降下霧化液滴分布圖十分接近。大部分液滴集中在40～54 μm直徑范圍內(nèi)，在33～40 μm液滴數(shù)目基本相同，直徑大于54 μm的液滴數(shù)則按照直徑劃分的區(qū)間依次遞減。對比兩圖發(fā)現(xiàn)，在40～54 μm直徑范圍內(nèi)p=2.6 MPa工況的液滴數(shù)目大于p=2.2 MPa工況下的液滴數(shù)目，說明噴嘴壓降增大，液滴尺寸分布向小粒徑偏移，霧化效果較好。這是由于提高噴嘴壓降使撞擊射流的動量增大，加劇了環(huán)境中空氣的擾動，液滴更容易發(fā)生二次碎裂，從而減小了液滴平均直徑。

2.2 液滴軸向速度的周向分布

圖7、圖8分別為噴嘴壓降為2.2，2.6 MPa下不同截面上液滴軸向速度的周向分布。由圖7可見，液滴軸向速度在α=90°和270°上呈現(xiàn)雙峰分布?；趯ψ采淞黛F化的特性，可以推斷α=90°和270°是射流撞擊生成液膜的擴(kuò)展方向。在液膜的擴(kuò)展方向上，受表面張力和擾動力的作用，液膜較容易破碎成液滴，此時液滴的軸向速度和液膜的擴(kuò)展速度基本相同，因此在α=90°和270°角度上液滴軸向速度大于其他角度上的速度，這與Inamura[13]的研究結(jié)果是一致的。

由圖7、圖8可見，在同一壓降工況下，r=5～25 mm曲線基本按照由高到低順序排列，可見距離中心軸越遠(yuǎn)，液滴軸向速度越小。同時，以比較圖7中z=25,50,80,100 mm截面上波動較小的r=5 mm曲線，發(fā)現(xiàn)液滴軸向速度的平均值分別為25.2,24.65,22.45,21.02 m·s-1，可見隨著測量截面到噴嘴的距離越遠(yuǎn)，液滴軸向速度越小。這是由于噴霧在沿軸向和徑向擴(kuò)展過程中，霧化液滴受到氣動力作用，軸向速度逐漸減小。

為了說明液滴軸向速度與噴嘴壓降的關(guān)系，統(tǒng)計了噴嘴壓降2.2，2.6 MPa工況下不同截面上液滴軸向速度的數(shù)目分布，如圖9、圖10所示。由圖9可見，大部分液滴集中在21～27 m·s-1速度段。在18 m·s-1以下，液滴數(shù)較少，特別是在0～6 m·s-1段的液滴數(shù)極其稀少。在圖9a中，54%的液滴集中在21～27 m·s-1段內(nèi)，在速度較高的27～30 m·s-1段液滴數(shù)為18%，18 m·s-1以下的液滴僅占12%。與圖9a相比，圖9b中，27～30 m·s-1速度段的液滴逐漸消失，24～27 m·s-1段液滴數(shù)由30%減少到23%，21～24 m·s-1段液滴數(shù)增加，有55%的液滴集中在21～27 m·s-1內(nèi)，18 m·s-1以下速度段液滴數(shù)略有增加。與圖9相比，p=2.6 MPa時，更多的液滴集中在21～27 m·s-1段，圖10a中該速度段內(nèi)的液滴數(shù)達(dá)到總數(shù)的75%，圖10b中21～27 m·s-1段液滴數(shù)為71%，其它速度段內(nèi)液滴數(shù)有所減少?？梢妵娮靿航翟龃?，液滴軸向速度趨于某一狹窄速度段，分布均勻性變好。

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖7 2.2 MPa工況液滴軸向速度的周向分布

Fig.7 Circumferential distribution of axial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖8 2.6 MPa工況液滴軸向速度的周向分布

Fig.8 Circumferential distribution of axial velocity under 2.6 MPa for droplets

a.z=50 mmb.z=80 mm

圖9 2.2 MPa工況液滴軸向速度的數(shù)目分布

Fig.9 Number distribution of axial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=50 mmb.z=80 mm

圖10 2.6 MPa工況液滴軸向速度的數(shù)目分布

Fig.10 Number distribution of axial velocity under 2.6 MPa for droplets

2.3 液滴徑向速度的周向分布

圖11、12分別為噴嘴壓降p=2.2 MPa和p=2.6 MPa工況下液滴徑向速度的周向分布。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，徑向速度曲線以α=90°和270°兩個分界點分為三段： 0°～90°,90°～270°,270°～330°。由于α=90°和270°是液膜的擴(kuò)展方向，所以多條曲線出現(xiàn)拐點，徑向速度顯著下降，在0°～90°,90°～270°,270°～330°三個區(qū)間內(nèi)徑向速度出現(xiàn)波動性變化。從圖11、圖12中r=5～25mm曲線的排列順序可見，距離中心軸越遠(yuǎn)，液滴徑向速度越大，徑向速度的脈動也越大。這是由于隨著噴霧的發(fā)展，射流中心的動量逐漸向外傳遞，液滴徑向速度逐漸增大，特別在0°和180°與液膜垂直的方向上液滴聚合破裂導(dǎo)致徑向速度脈動較大。這種趨勢直至噴霧邊緣處受氣動力作用，液滴徑向速度降低為零。比較圖11中z=25,50,80,100 mm截面上r=5 mm曲線，液滴徑向速度的平均值分別為0.36,0.3,0.26,0.25 m·s-1，可見隨著測量截面到噴嘴的距離越遠(yuǎn)，液滴徑向速度越小。

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖11 2.2 MPa工況液滴徑向速度的周向分布

Fig.11 Circumferential distribution of radial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖12 2.6MPa工況液滴徑向速度的周向分布

Fig.12 Circumferential distribution of radial velocity under 2.6 Mpa for droplets

由于液滴徑向速度整體較小，噴嘴壓降對于徑向速度的周向分布影響不明顯。現(xiàn)根據(jù)液滴徑向速度的數(shù)目分布來分析說明徑向速度與噴嘴壓降的關(guān)系。圖13、圖14分別為p=2.2 MPa和p=2.6 MPa工況下不同軸向截面上液滴徑向速度的數(shù)目分布。z=25 mm截面上，圖13a中液滴徑向速度按從小到大階梯分布，液滴主要分布在0.2～0.4 m·s-1區(qū)間，其中52%的液滴徑向速度在0.2～0.3 m·s-1區(qū)間，26%的液滴徑向速度在0.3～0.4 m·s-1區(qū)間，大于0.4 m·s-1的液滴數(shù)目較小且隨機(jī)波動。圖14a中，0.2～0.3 m·s-1段液滴數(shù)為32%，0.3～0.4 m·s-1段液滴數(shù)為24%，與圖13a相比，處于0.2～0.4 m·s-1這一較低速度區(qū)間的液滴數(shù)較少，而0.4 m·s-1以上的較高速度段內(nèi)液滴數(shù)較多。z=80 mm截面上，圖13b中0.2～0.3 m·s-1和0.3～0.4 m·s-1區(qū)間內(nèi)液滴數(shù)分別為57%和26%，而圖14b中0.2～0.3 m·s-1段液滴數(shù)為42%，并且0.3～0.4 m·s-1段內(nèi)液滴數(shù)也達(dá)到了38%?？梢婋S著噴嘴壓降增大，液滴徑向速度總體趨于增大，分布均勻性變差。

a.z=25 mmb.z=80 mm

圖13 2.2 MPa工況液滴徑向速度的數(shù)目分布

圖13 Number distribution of radial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=80 mm

圖14 2.6 MPa工況液滴徑向速度的數(shù)目分布

圖14 Number distribution of radial velocity under 2.6 MPa for droplets

4 結(jié) 論

(1)隨著測量截面與噴嘴間的距離(z)增加，液滴平均直徑(D30)增大，由z由25 mm增到100 mm，噴嘴壓降為2.2 MPa時，D30由44.26 μm增大到61.26 μm，當(dāng)噴嘴壓降為2.6 MPa，D30由42.88 μm增大到55.49 μm； 同時，噴嘴壓降越大，液滴平均直徑越小，霧化效果越好。

(2)噴霧場中液滴軸向速度在周向上呈雙峰分布，α=90°和270°分別為兩個峰值點； 同一壓降工況下，液滴軸向速度隨著測量點與中心軸的距離增大而減??； 距離噴嘴越遠(yuǎn)，液滴軸向速度越??； 噴嘴壓降增大，液滴軸向速度集中在21～27 m·s-1速度段，均勻性變好。

(3)噴霧場中液滴徑向速度的周向分布呈分段波動性變化，測量點距離中心軸越遠(yuǎn)，液滴徑向速度脈動越大； 測量截面距離噴嘴越遠(yuǎn)，液滴徑向速度越??； 噴嘴壓降增大，液滴徑向速度分布均勻性變差。

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