凝膠汽油雙股撞擊式霧化速度場實驗研究

楊建魯，翁春生，白橋棟，胡洪波

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇南京210094）

凝膠汽油雙股撞擊式霧化速度場實驗研究

楊建魯，翁春生，白橋棟，胡洪波

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇南京210094）

為研究凝膠劑含量、撞擊角以及噴射壓力等參數(shù)對凝膠汽油雙股撞擊式霧化速度場的影響，實驗室制備了凝膠劑含量分別為4%和5%的QNJ-4、QNJ-5凝膠汽油樣品。利用旋轉(zhuǎn)式流變儀分別對QNJ-4、QNJ-5凝膠汽油的表觀粘度進行了測量，并擬合了反映其表觀粘度變化的冪率公式。采用粒子圖像速度儀測量了撞擊角θ分別為60°、75°、90°、105°和120°，噴射壓力p為0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa和1.25 MPa條件下雙股撞擊式霧化流場的速度分布。結(jié)果表明：凝膠劑含量越高，反映凝膠汽油表觀粘度變化的冪率公式中，粘度系數(shù)k越大，流動指數(shù)n越??；凝膠劑含量越高，凝膠汽油撞擊霧化后的液滴速度越??；在撞擊點下游，中心軸線上的液滴速度vl沿軸線呈總體下降的趨勢，但由于撞擊點產(chǎn)生的不穩(wěn)定波的作用，液滴速度vl會出現(xiàn)波動；隨著撞擊角的不斷增大，凝膠液滴的核心速度vc不斷減小，但在撞擊角為105°會出現(xiàn)暫時增大；隨著噴射壓力的增大，凝膠汽油霧化后的核心速度vc不斷增大，但增大幅度越來越小。

兵器科學(xué)與技術(shù)；凝膠汽油；表觀粘度；撞擊式霧化；速度場

0 引言

凝膠推進劑是一種以液體推進劑為基礎(chǔ)，通過添加凝膠劑和高能固體顆粒而制得的具有優(yōu)良性能的新型推進劑。這類推進劑兼具液體推進劑比沖較大、推力可調(diào)、易于實現(xiàn)多次點火啟動和固體推進劑使用安全、不易泄露、易于長期儲存、使用前可預(yù)先裝載到火箭發(fā)動機上、發(fā)射反應(yīng)時間較短的優(yōu)點。

凝膠推進劑是一種高粘度的非牛頓流體。作為一種具有優(yōu)良特性的推進劑，霧化效果的好壞是其能否順利實現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵［1］。凝膠推進劑本身固有的高粘度是影響其充分霧化的主要障礙。根據(jù)凝膠推進劑具有較高粘稠度、易堵塞噴嘴的特點，目前國內(nèi)外專家學(xué)者廣泛選用直射式噴嘴通過撞擊式霧化的方式來實現(xiàn)對凝膠推進劑的霧化。當(dāng)前，國內(nèi)外研究工作者已對凝膠推進劑的霧化問題做了大量的研究工作。Rodrigues等實驗研究了凝膠推進劑撞擊式霧化中撞擊角、噴嘴長徑比和射流自由長度與噴嘴孔徑比值等因素對霧化液滴粒徑大小以及液滴速度分布的影響［2］。陳杰等對凝膠推進劑撞擊式霧化的研究表明，霧化液滴速度對撞擊軸線呈單峰分布；增大撞擊角和射流壓差都可以提高凝膠推進劑的霧化質(zhì)量［3］。呂少一等研究了不同類型的凝膠劑對凝膠推進劑流變性能的影響［4］。Yoon等采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了凝膠推進劑在不同類型噴注器內(nèi)的流動特性［5］。Fu等對雙股撞擊式霧化過程中噴嘴幾何形狀對凝膠推進劑液膜、液絲的破碎特性進行了實驗研究［6］。Klaus等的研究表明，在凝膠推進劑的雙股撞擊霧化過程中，撞擊點周圍會形成液膜區(qū)，且撞擊速度越大，液膜區(qū)越?。?］。Victor等實驗研究了凝膠水的脈動霧化特性［8］。Syed等對比研究了水和凝膠水撞擊式霧化的區(qū)別，并進一步分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對霧化過程中凝膠水液膜破碎長度的影響［9］。Jayaprakash等在對凝膠燃料進行的雙股撞擊式霧化的實驗研究中發(fā)現(xiàn)撞擊點會持續(xù)產(chǎn)生一系列的不穩(wěn)定波，該不穩(wěn)定波沿著凝膠燃料液膜向下游傳播［10］。強洪夫等采用SPH方法對凝膠推進劑的一次霧化進行了數(shù)值模擬，研究了撞擊速度、撞擊角等因素對霧化效果的影響［11］。胡洪波等實驗研究了凝膠汽油在脈沖爆轟發(fā)動機中的爆轟特性［12］。

在霧化過程中，液體本身的粘度直接影響液滴的破碎、剝離程度，是影響霧化效果的關(guān)鍵因素。凝膠汽油具有剪切變?。羟兴俾试酱?，表觀粘度越?。┑奶匦?。凝膠汽油發(fā)生撞擊式霧化后流場內(nèi)液滴的速度分布能夠反映霧化區(qū)域內(nèi)凝膠液滴發(fā)生二次霧化的強弱。因此，對凝膠汽油表觀粘度變化特點和霧化后液滴速度分布特點的研究具有重要意義。本文采用旋轉(zhuǎn)式流變儀對實驗室配制的凝膠汽油進行了流變性測量，通過測得的數(shù)據(jù)擬合該凝膠汽油表觀粘度隨剪切速率變化的冪率方程，討論凝膠劑含量對冪率方程參數(shù)的影響，分析了凝膠汽油表觀粘度隨剪切速率的變化特點。采用粒子圖像速度儀對凝膠汽油的雙股撞擊式霧化速度場進行測量，研究分析凝膠劑含量、撞擊角和噴射壓力等因素對霧化速度場的影響，為今后進一步研究凝膠推進劑撞擊式霧化特性提供參考。

1 凝膠汽油配制以及實驗方案設(shè)計

1.1 凝膠汽油的配制

本文以97號汽油為基礎(chǔ)燃料，比表面積為380 m2/g的二氧化硅粉末為凝膠劑，采用超聲波震蕩與機械式攪拌相結(jié)合的方式制備了凝膠劑含量分別為4%和5%的QNJ-4、QNJ-5凝膠汽油，如圖1所示。

1.2 凝膠汽油表觀粘度測量方案

為了測量凝膠汽油表觀粘度隨剪切速率的變化，根據(jù)測量結(jié)果來擬合QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油表觀粘度的冪率函數(shù)曲線，由此對比凝膠劑含量不同時，冪率函數(shù)的區(qū)別，本文利用旋轉(zhuǎn)式流變儀對制備的QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油進行表觀粘度的測量。凝膠汽油具有剪切變稀的特性，在不同剪切速率條件下，表觀粘度的變化速率不同，剪切速率越低，凝膠汽油表觀粘度變化越敏感，變化幅度越大。為準(zhǔn)確測量凝膠汽油的表觀粘度，在測量過程中剪切速率不完全采用線性增大的模式，而是采用分段設(shè)定剪切速率增大模式和測點數(shù)的方法:當(dāng)剪切速率較低時，表觀粘度隨剪切速率變化的速率較快，測點數(shù)選取較密集；剪切速率較大時，表觀粘度變化速率較小，測點選取較稀疏。測量方案如表1所示。

圖1 實驗室制備的凝膠汽油樣品Fig.1 The samples of gel gasoline used in experiments

表1 凝膠汽油表觀粘度測量過程中剪切速率遞增方案Tab.1 The increasing scheme of shear rate in the process of measuring apparent viscosity

采用旋轉(zhuǎn)式流變儀對QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油的表觀粘度進行測量。測量過程中流變儀采用φ40 mm的錐形夾板，錐角172°.測量前預(yù)先按照表1中的遞增方案對流變儀剪切速率的變化模式進行設(shè)定，同時設(shè)定測量溫度為20℃.

1.3 凝膠汽油撞擊式霧化流場速度分布測量方案

為了獲得凝膠劑含量、噴射壓力以及撞擊角對凝膠汽油撞擊式霧化區(qū)域速度場的影響，本文設(shè)計了雙股撞擊式霧化裝置，并利用粒子圖像速度儀對該霧化區(qū)域的速度場進行測量，實驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

該實驗系統(tǒng)由兩部分組成:噴射霧化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試與采集系統(tǒng)。圖2中噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù):出流孔徑D為0.8 mm，孔徑長度L為4 mm，長徑比L/D為5.另外，噴射霧化時噴嘴出口距撞擊點的長度s為10 mm（2.5 L）.

實驗過程中采用高壓氮氣作為驅(qū)動力為QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油提供噴射壓力p.噴射壓力值分別設(shè)定為0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa和1.25 MPa，同時每個噴射壓力條件下，撞擊角θ分別設(shè)定為60°、75°、90°、105°和120°.

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Experimental system

2 實驗結(jié)果及其分析

2.1 凝膠劑含量和剪切速率對凝膠汽油表觀粘度

及其冪率公式的影響

凝膠汽油是一種觸變型流體，具有剪切變稀的性質(zhì)，因此其表觀粘度的大小不僅受凝膠劑含量的影響，而且隨剪切速率的變化而變化。本文對測得的凝膠汽油表觀粘度隨剪切速率變化的曲線進行擬合，擬合公式采用當(dāng)前工程上應(yīng)用較多的冪率模型，該模型為

式中:η為表觀粘度；γ為剪切速率；k為粘度系數(shù)；n為流動指數(shù)。

圖3反映了QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油表觀粘度隨剪切速率的變化。對圖3分析可知:當(dāng)剪切速率較低時，隨著剪切速率的增大，凝膠汽油的表觀粘度迅速減小，同時，表觀粘度的減小速率也在減小:當(dāng)剪切速率由1.143 s-1增大到7.644 s-1時，QNJ-4的表觀粘度由44.930 Pa·s降低到3.793 Pa·s，降低了91.56%，QNJ-5的表觀粘度由488.600 Pa·s降低到67.770 Pa·s，降低了86.13%.對以上數(shù)據(jù)對比分析可知:在相同的剪切速率下，凝膠劑含量越高表觀粘度越大；剪切速率增大時，高凝膠劑含量的QNJ-5凝膠汽油的表觀粘度絕對值減小幅度較大，相反，其表觀粘度的相對值減小量小于QNJ-4.對不同剪切速率下凝膠汽油表觀粘度的數(shù)據(jù)進行擬合，獲得QNJ-4和QNJ-5表觀粘度的冪率函數(shù)。QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油擬合后冪率函數(shù)的參數(shù)如表2所示。

圖3 QNJ-4和QNJ-5表觀粘度隨剪切速率變化的曲線以及擬合曲線Fig.3 Changing curves and fitting curves of spparent viscosities of QNJ-4 and QNJ-5

表2 QNJ-4和QNJ-5冪率公式擬合參數(shù)Tab.2 Power-low fitting parameters of QNJ-4 and QNJ-5

擬合結(jié)果表明，凝膠劑含量越高，k越大，n越小。通過擬合公式計算凝膠汽油表觀粘度隨γ增大的絕對變化量ηa和相對變化量ηr，如下所示:

式中:γ1、γ2表示不同的剪切速率，γ1＜γ2.由（2）式、（3）式可知:冪率型流體表觀粘度的絕對值受粘度系數(shù)k和流動指數(shù)n的影響，其中，粘度系數(shù)k的大小對表觀粘度絕對值ηa的大小有重要影響，粘度系數(shù)k越大，隨著剪切速率的增大，表觀粘度絕對量變化越大；冪率流體表觀粘度的相對變化量ηr僅受流動指數(shù)n的影響，流動指數(shù)n越大，隨著剪切速率的變化，表觀粘度的相對量變化越大。與對圖3中實測結(jié)果的分析一致。

2.2 凝膠劑含量對凝膠汽油雙股撞擊式霧化流場速度分布的影響

凝膠劑含量越高，凝膠汽油表觀粘度越大。凝膠汽油表觀粘度的大小對其霧化區(qū)域速度場有重要影響。圖4為撞擊角θ為60°、噴射壓力p分別為0.75 MPa和1.25 MPa時QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油撞擊后霧化區(qū)域的速度矢量圖。

對圖4中QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油霧化后的速度矢量圖對比分析可知，在相同的噴射壓力條件下，QNJ-4撞擊霧化后的速度要高于QNJ-5.這是由于QNJ-5凝膠汽油的凝膠劑含量較高，其表觀粘度也較高，撞擊后QNJ-5的液滴顆粒粘滯力較大，動能損失較大，故而QNJ-5的速度要小于QNJ-4.此外，對單個霧化流場進行分析可知，在霧化區(qū)域中速度分布并不是均勻的，撞擊點附近的速度較大，隨著凝膠汽油液滴顆粒不斷向下游運動，其速度不斷減小。為揭示液滴速度的變化規(guī)律，在圖5中給出了中心軸線上液滴速度的變化規(guī)律。為準(zhǔn)確分析其變化規(guī)律，中心軸線上液滴速度vl取霧化區(qū)域中心軸線左右各5 mm范圍內(nèi)所有速度的平均值作為該速度值。

由圖5可知，凝膠汽油霧化撞擊點的位置在y=170 mm附近，霧化區(qū)域范圍在-191.0～204.5 mm區(qū)間內(nèi)，其中，170.0 mm＜y＜204.5 mm為撞擊點的上游區(qū)域，-191.0 mm＜y＜170.0 mm為撞擊點的下游區(qū)域。撞擊點位置處凝膠汽油液滴速度vl最大，由撞擊點沿中心軸線無論向上游或是向下游發(fā)展，液滴速度都會減小:由撞擊點向上游發(fā)展時，凝膠汽油液滴速度迅速減小，速度變化的梯度很大，這是由于凝膠汽油由噴嘴射出后縱向分速度是向下的，撞擊點上游的液滴主要是由凝膠汽油射流撞擊產(chǎn)生的，動能較小，速度減小迅速；在撞擊點下游，凝膠汽油液滴顆粒沿著中心軸線不斷減小，初始階段速度沿軸線迅速減小，速度梯度較大，隨著液滴顆粒不斷向下游運動，液滴速度減小速率變得越來越緩慢，速度梯度越來越小，這是由于初始階段液滴剛離開撞擊點，速度較高，導(dǎo)致液滴間相互碰撞頻率較高，速度減小較快。另外，此時液滴處于撞擊霧化三角形區(qū)域頂點附近的狹小空間，增大了液滴間撞擊頻率，進一步加劇了液滴的動能損失，降低了液滴速度；當(dāng)運動到流場下游時，液滴顆粒速度較小，液滴間相互撞擊頻率減小，同時液滴顆粒因空氣阻力導(dǎo)致的速度損失減小。另外該區(qū)域處于三角形霧化區(qū)域的下游，液滴顆粒運動空間充足，進一步減小了液滴的撞擊頻率，此時速度降低緩慢，速度大小趨于穩(wěn)定。

圖4 撞擊角θ=60°時凝膠汽油撞擊霧化后的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of gelled gasoline for impingement angle θ=60°

圖5 撞擊角θ=60°時軸線上液滴速度沿軸線的變化曲線Fig.5 Velocity of drops along the axis of atomization area for impinging angle θ=60°

凝膠劑含量不同，凝膠汽油的表觀粘度也不同，凝膠劑含量越高，表觀粘度也大。對比圖5中QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油霧化后液滴的速度曲線可知，QNJ-4的液滴速度要高于QNJ-5，這是由于QNJ-4的凝膠劑含量較低，表觀粘度較小，撞擊過程中粘滯力較小，動能損失也較小，因此其液滴顆粒的速度較大。對比圖5（a）、圖5（b）可以看出，圖5（a）中凝膠汽油顆粒速度變化曲線較平滑，速度波動不大，圖5（b）中凝膠汽油顆粒速度波動較大，這是由于在雙股撞擊霧化過程中，撞擊點會產(chǎn)生一系列的不穩(wěn)定波［10］，這些不穩(wěn)定波在霧化流場中不斷向下游傳播。圖5（a）的噴射壓力為0.50 MPa，該不穩(wěn)定波能量較弱，對液滴速度影響不明顯，圖5（b）的噴射壓力為1.25 MPa，兩股凝膠汽油同時到達撞擊點后動能較大，撞擊過程更劇烈，由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定波能量較大，對流場區(qū)域內(nèi)液滴顆粒的速度影響較大。對圖5（b）中QNJ-4和QNJ-5撞擊霧化后液滴的中心軸線速度變化曲線分析可知，QNJ-4的液滴速度波動振幅的平均值大小為8.67 m/s，而QNJ-5的液滴速度振幅為6.08 m/s，二者相差2.59 m/s，這是由于QNJ-5凝膠劑含量較高，表觀粘度較大，液滴粘滯力也較大，導(dǎo)致液滴碰撞過程能量損失增大，液滴速度波動振幅減小。

2.3 撞擊角對凝膠汽油雙股撞擊式霧化流場速度分布的影響

撞擊角θ越大，凝膠汽油由噴嘴噴出后射流橫向分速度（有效撞擊速度）越大，因撞擊而導(dǎo)致的速度損失也越大。然而，撞擊角增大的同時也增大了霧化區(qū)域的面積，進而降低了霧化區(qū)域內(nèi)霧滴之間相互撞擊的頻率，減小了液滴顆粒的能量損失。因此，雙股撞擊式霧化液滴速度分布受有效撞擊速度和撞擊區(qū)域面積兩方面的影響。

圖6為噴射壓力p為0.75 MPa條件下，撞擊角θ分別為60°、75°、90°、105°和120°時QNJ-5凝膠汽油撞擊霧化后的液滴速度分布矢量圖。由圖6分析可知，撞擊角越大，凝膠汽油霧化后的液滴速度越小。這是由于隨著撞擊角的不斷增大，凝膠汽油射流的橫向分速度（有效撞擊速度）越大，霧化過程中因為撞擊而導(dǎo)致的速度損失也越大。如圖6所示，隨著撞擊角的不斷增大，QNJ-5霧化后的液滴速度分布矢量圖中液滴高速度區(qū)域面積隨之減小，低速區(qū)域面積增大，霧化區(qū)域內(nèi)液滴速度分布均勻性越好。這是由于伴隨著撞擊角的不斷增大，霧化區(qū)域面積不斷增大，凝膠汽油霧化后形成的液滴速度不斷減小，導(dǎo)致液滴間相互碰撞的頻率降低，同時，由于液滴速度較低，由空氣阻力引起的液滴速度損失較小，液滴速度變化梯度減小，霧化流場液滴速度分布均勻性越好。

路過的人，走在鋪滿枯葉的石板路上，感嘆村落不可避免的衰敗時，忽然看到一樹柿果，在轉(zhuǎn)彎處，那么紅，心里會為之一動，寧靜又柔軟。

圖6 噴射壓力為0.75 MPa時QNJ-5在不同撞擊角條件下霧化區(qū)域速度場矢量圖Fig.6 Velocity vectors of QNJ-5 at injection pressure of 0.75 MPa and different angles

為了能夠準(zhǔn)確分析撞擊角θ對霧化區(qū)域霧滴速度變化的影響，本文定義了核心速度這一概念:霧化區(qū)域內(nèi)，速度大于最高速度90%的所有速度的平均值即為該霧化速度場的核心速度vc.圖7反映了不同噴射壓力條件下，QNJ-5凝膠汽油的核心速度vc隨撞擊角θ增大而變化的曲線。如圖7所示:θ＜90°時，vc隨著θ的增大而減??；θ=105°時，vc有所增大；θ由105°增大至120°時，vc又會減小。對以上結(jié)果分析可知，θ＜90°時，隨著撞擊角的不斷增大，霧化過程中凝膠汽油的橫向分速度（有效撞擊速度）不斷增大，撞擊過程導(dǎo)致的能量損失增大，撞擊后液滴速度較小，同時，由于此時撞擊角較小，霧化區(qū)域相應(yīng)較窄小，液滴受霧化區(qū)域空間較小的限制，相互間撞擊頻率較大，導(dǎo)致液滴速度進一步降低。隨著θ的不斷增大，霧化區(qū)域面積不斷增大，當(dāng)θ＞90°時，霧化區(qū)域面積較大，霧化后液滴間碰撞頻率降低，液滴因碰撞導(dǎo)致的能量損失相應(yīng)減小，導(dǎo)致此時的核心速度有所增大。θ由105°增大到120°時，霧化區(qū)域空間均較大，液滴運動空間較充足，液滴間撞擊效應(yīng)影響不明顯，另一方面，由于橫向撞擊速度不斷增大，因撞擊導(dǎo)致的損失增大，核心速度再次減小。

圖7 QNJ-5液滴核心速度隨撞擊角的變化曲線Fig.7 Influence of impinging angle on core speed of drops

2.4 噴射壓力對凝膠汽油雙股撞擊式霧化流場速度分布的影響

噴射壓力p越大，凝膠汽油經(jīng)噴嘴噴出后射流速度越大，撞擊霧化后流場速度也就越大。圖8為不同噴射壓力條件下，撞擊角θ為60°時QNJ-4凝膠汽油撞擊霧化后液滴速度分布矢量圖。由圖8分析可知，隨著噴射壓力的增大，凝膠汽油射流速度增大，速度場中霧化核心區(qū)域的速度也越大；當(dāng)噴射壓力較高時，凝膠汽油撞擊霧化后液滴速度也更大，此時霧化區(qū)域內(nèi)液滴之間的碰撞頻率顯著增大，由此導(dǎo)致液滴速度損失增大，撞擊點下游液滴速度沿坐標(biāo)的衰減速率越快，速度梯度越大。此外，對圖8（a）～圖8（d）對比可知，隨著噴射壓力的增大，霧化區(qū)域內(nèi)速度較高的區(qū)域面積逐漸減小，并在中心軸線附近形成一個速度高于兩側(cè)速度的縱向速度帶，且噴射壓力越大，該速度帶越狹長。由此可見，霧化區(qū)域軸線附近更容易形成二次霧化。

隨著噴射壓力的增大，凝膠汽油的射流速度不斷增大，導(dǎo)致霧化后vc增大。如圖9所示，隨著噴射壓力的不斷增大，QNJ-4和QNJ-5凝膠汽油霧化后的vc不斷增大。對圖9分析可知，當(dāng)QNJ-4凝膠汽油的噴射壓力p分別為0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa和1.25 MPa時，經(jīng)撞擊霧化后核心速度vc分別為22.726 m/s、30.433 m/s、35.902 m/s和41.129 m/s，而QNJ-5的噴射壓力p分別為0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa和1.25 MPa時，經(jīng)撞擊霧化后核心速度vc分別為21.753 m/s、26.965 m/s、31.214 m/s和34.930 m/s.

由以上數(shù)據(jù)分析可知，vc并不是隨著噴射壓力p的增大而線性增大，對相鄰噴射壓力求核心速度vc隨噴射壓力p變化的平均梯度，如表3所示。噴射壓力由0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa、1.25 MPa依次增大時，QNJ-4凝膠汽油的核心速度vc隨噴射壓力p增大的平均梯度依次為:30.828（m/s）/MPa、21.876（m/s）/MPa、20.908（m/s）/MPa；QNJ-5的vc隨p增大的平均梯度依次為:20.848（m/s）/MPa、16.996（m/s）/MPa、14.864（m/s）/MPa.如表3所示。

圖8 不同噴射壓力條件下撞擊角為60°時QNJ-4霧化區(qū)域速度矢量圖Fig.8 Influence of injection pressure on velocity vector of QNJ-4 at impinging angle of 60°

圖9 θ=60°時QNJ-4和QNJ-5核心速度隨噴射壓力變化的曲線Fig.9 Influence of injection pressure on core velocities of QNJ-4 and QNJ-5 at impinging angle of 60°

表3 θ=60°時QNJ-4和QNJ-5核心速度隨噴射壓力的變化梯度Tab.3 Variation gradients of core speeds of QNJ-4 and QNJ-5 at impact angle of 60°and different injection pressures

由θ=60°時，雙股撞擊式霧化區(qū)域核心速度vc隨噴射壓力p變化的規(guī)律可得:隨著p的不斷增大，凝膠汽油經(jīng)噴嘴流出后的射流速度不斷增大，導(dǎo)致霧化區(qū)域核心速度不斷增大；凝膠汽油具有剪切變稀的特性，當(dāng)噴射壓力較低時，凝膠汽油的噴射速度較小，其所受的剪切速率較小，表觀粘度較大，此時表觀粘度隨剪切速率的增大而迅速減小，由此導(dǎo)致液滴顆粒粘滯力減小幅度較大，碰撞過程能量損失也大幅減少，核心速度增大較快，核心速度隨噴射壓力變化的梯度較大；當(dāng)噴射壓力較高時，凝膠汽油的噴射速度較大，其所受的剪切速率較大，表觀粘度較小，因噴射壓力增大而引起的液滴顆粒粘滯力變化較小，碰撞過程因粘滯力變化而導(dǎo)致的能量損失變化減小，核心速度增大速率減小。此時由于液滴速度較高，液滴間的碰撞頻率增大，進一步阻滯了核心速度的增大，核心速度隨噴射壓力變化的梯度越來越小。

3 結(jié)論

采用旋轉(zhuǎn)式流變儀和粒子圖像速度儀對實驗室配制的凝膠汽油進行了流變性和雙股撞擊式霧化特性的實驗研究，結(jié)果表明:

1）凝膠劑含量越高，凝膠汽油的表觀粘度越大，其冪率方程中的粘度系數(shù)k越大，流動指數(shù)n越小。

2）噴射壓力相同條件下，凝膠劑含量越高，凝膠汽油撞擊后的霧化速度越低。霧化區(qū)域軸線上液滴速度vl在撞擊點附近最大，此后沿軸線總體上呈下降趨勢。但是，由于撞擊點產(chǎn)生的不穩(wěn)定波影響，液滴速度vl會產(chǎn)生波動，噴射壓力越高，凝膠劑含量越低，液滴速度vl波動就會越大。

3）隨著撞擊角θ的不斷增大，凝膠汽油撞擊霧化后的液滴核心速度vc呈總體減小的趨勢。但是，由于撞擊角的不斷增大，導(dǎo)致霧化區(qū)域空間增大，凝膠汽油液滴顆粒撞擊頻率降低，在撞擊角θ為105°時，核心速度出現(xiàn)暫時增大。

4）隨著噴射壓力p的不斷增大，凝膠汽油雙股撞擊霧化速度場的核心速度vc不斷增大，但核心速度區(qū)域面積不斷減小。此外，中心軸線處形成的高速液滴速度帶隨噴射壓力的增大而越來越狹窄。

目前的研究表明:剪切速率對凝膠汽油的表觀粘度影響較大，噴射霧化之前增大對凝膠汽油的剪切速率，進而降低其表觀粘度是提高霧化效果的有效途徑之一；當(dāng)凝膠劑含量較低、噴射壓力較大時，霧化區(qū)域內(nèi)液滴速度較大，霧化效果更好，因此，在允許的情況下適當(dāng)降低凝膠劑含量、增大噴射壓力能夠提高霧化效果；霧化流場軸線附近液滴顆粒速度較大，較易發(fā)生液滴的二次霧化；撞擊角越大，霧化區(qū)域內(nèi)液滴速度梯度越小，霧化均勻性越好；適當(dāng)增大撞擊角可提高凝膠汽油的霧化品質(zhì)。

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Experimental Research on Velocity Field of Impinging Atomization of Gel Gasoline

YANG Jian-lu，WENG Chun-sheng，BAI Qiao-dong，HU Hong-bo
（National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Gel gasoline samples of QNJ-4 and QNJ-5 are prepared to investigate the influence of the factors，such as gel content，impinging angle and injection pressure，on velocity field of impingement atomization.The apparent viscosity of gel gasoline is researched by rotational rheometer with cone-and-plate configuration，and the power-low model is used to fit the apparent-viscosity to shear-rate curves of QNJ-4 and QNJ-5.The velocity field of impinging atomization with impinging angles of 60°，75°，90°，105°and 120°and injection pressures of 0.50 MPa，0.75 MPa，1.00 MPa and 1.25 MPa is researched by the particle image velocity（PIV）system.The results indicate that the consistency index k increases with the increase in gel content maintaining while the flow index n decreases at the same time.The velocity of drops，which is produced by impinging atomization of gel gasoline，is decreased with the increase in gel content.The drop velocity on the axis of atomization area becomes smaller and smaller from impingingpoint to downstream，and there is the same fluctuation of the speed which is induced by the circular instable waves generating from the impact point.The core speed of gel gasoline drops is decreased with the increase in impinging angle and the reduce in injection pressure.

ordnance science and technology；gel gasoline；apparent viscosity；impinging atomization；velocity field

V448.15

A

1000-1093（2015）09-1671-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.011

2015-01-15

國家自然科學(xué)基金項目（11472138）；國防預(yù)先研究基金項目（9140C300202120C30）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項（30920130112007）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYZZ_0128）

楊建魯（1987—），男，博士研究生。E-mail:yang.jianlu@163.com；翁春生（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:wengcs@126.com；白橋棟（1979—），男，博士。E-mail:qd_bai@126.com