射流偏心撞擊對(duì)凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄧寒玉，封鋒，，余興飛，左英英（.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京0094；.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，山西太原030008）

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射流偏心撞擊對(duì)凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄧寒玉1，封鋒1，1，余興飛1，左英英2
（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，山西太原030008）

摘要：為研究射流偏心撞擊對(duì)凝膠撞擊霧化的影響，建立撞擊霧化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，制備凝膠推進(jìn)劑及其模擬液，對(duì)單股射流形態(tài)及不同偏心度下的撞擊液膜和液滴尺寸分布進(jìn)行測(cè)量。理論推導(dǎo)了偏心撞擊下撞擊液膜偏角，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明:隨著噴射速度的增大，單股射流受到的擾動(dòng)逐漸增大；在靠近噴注器出口處擾動(dòng)有限，不同速度下的射流變形都很??；不同偏心度下液膜發(fā)展和破碎形式基本相同，當(dāng)偏心度達(dá)到1. 5/6時(shí)，液膜自撞擊點(diǎn)開始出現(xiàn)了呈一定角度較為暗淡的區(qū)域，流量不對(duì)稱性增強(qiáng)；隨著偏心度的增大，液膜偏角逐漸增大，但與理論值相比偏??；偏心度的大小對(duì)撞擊霧化的液滴尺寸分布影響較小，但偏心撞擊的索特平均直徑值比無偏心時(shí)小，并在0. 5/6達(dá)到最小值。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；凝膠推進(jìn)劑；撞擊霧化；偏心撞擊；液膜；液滴尺寸

封鋒（1982—），男，副教授。E-mail：nust203@ aliyun. com

0 引言

凝膠推進(jìn)劑靜態(tài)時(shí)有一定的屈服應(yīng)力，因此具有固體推進(jìn)劑不易泄露和良好的儲(chǔ)藏性能；同時(shí)由于其剪切稀化特征，受剪切時(shí)能像液體推進(jìn)劑那樣流動(dòng)，可以應(yīng)用于推力可調(diào)和多次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在航空航天推進(jìn)工程方面具有較好的應(yīng)用前景。在膠凝劑的作用下，凝膠推進(jìn)劑內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，黏性比一般的液體推進(jìn)劑大，很難達(dá)到高效的霧化和燃燒，其霧化過程也成為達(dá)到工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前針對(duì)這種高黏稠推進(jìn)劑，常采用撞擊式霧化噴嘴［1］進(jìn)行霧化，劉虎等［2］對(duì)這種霧化形式進(jìn)行了綜述。撞擊式噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛應(yīng)用。

Jayaprakash等［3］對(duì)煤油凝膠進(jìn)行了撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同條件下霧化場(chǎng)凝膠顆粒粒徑及其分布進(jìn)行了測(cè)量，指出增大噴注壓力和撞擊角度有利于煤油凝膠的撞擊霧化效果。Madlener等［4］也對(duì)煤油凝膠撞擊霧化行為進(jìn)行了研究，在不同的噴注速度下得到了3種不同的霧化場(chǎng)結(jié)構(gòu)。Yoon等［5］研究了噴注器內(nèi)的流動(dòng)特征，獲得了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射系數(shù)和管內(nèi)黏度的影響。Madlener等［6］則探討了噴注器內(nèi)的入口角度對(duì)凝膠推進(jìn)劑噴射過程的影響，以進(jìn)一步對(duì)撞擊噴嘴進(jìn)行表征。Rahimi等［7］研究了氣助式撞擊噴嘴的霧化特征，測(cè)量了凝膠推進(jìn)劑的霧化顆粒的尺寸分布。Avulapati等［8］進(jìn)一步對(duì)不同氣助方式下的撞擊噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了氣液比對(duì)撞擊噴霧模式、霧化角和顆粒分布的影響。Fu等［9］測(cè)量了凝膠推進(jìn)劑在不同噴注器出口截面下的撞擊霧化實(shí)驗(yàn)，分析了截面對(duì)撞擊液膜破碎形式的影響。Jung等［10］研究了噴注器內(nèi)流情況（包括湍流和空穴現(xiàn)象）對(duì)撞擊霧化的影響，并指出噴注器入口形狀會(huì)對(duì)撞擊霧化產(chǎn)生較大影響。Inamura等［11］從理論上分析了單股射流內(nèi)速度型面對(duì)撞擊液膜特征的影響，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)說明了理論分析結(jié)果具有一定可信度。但是，對(duì)于撞擊噴嘴而言，由于加工精度的影響，噴注器的軸線可能出現(xiàn)不相交而發(fā)生偏心撞擊。目前，偏心對(duì)凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化的影響，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究還較少。

因此，本文建立了相關(guān)撞擊霧化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)凝膠推進(jìn)劑進(jìn)行了撞擊實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了噴注器偏心對(duì)撞擊霧化的影響。測(cè)量了撞擊霧化的液膜噴霧形態(tài)、偏心后的液膜偏角和液滴尺寸分布。對(duì)液膜偏角進(jìn)行理論計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)原理與模型

1. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文所搭建的撞擊霧化實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：高壓氮?dú)夤?、高壓凝膠儲(chǔ)罐、撞擊角度可連調(diào)的撞擊式噴嘴、Shadow光源、高速相機(jī)、數(shù)據(jù)采集電腦及相關(guān)連接件和閥門。其工作原理為：以高壓氮?dú)庾鳛闅庠?，凝膠儲(chǔ)罐中形成穩(wěn)定高壓環(huán)境，當(dāng)閥門都打開時(shí)凝膠經(jīng)兩路從噴嘴噴出并在撞擊點(diǎn)處撞擊形成液膜。此時(shí)在光源的照射下，高速相機(jī)對(duì)液膜進(jìn)行拍攝，并由圖像處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了實(shí)現(xiàn)射流偏心的精確控制，噴注器的其中一路高度可精調(diào)，最小可調(diào)范圍為0. 02 mm.圖中所示2α為兩噴注器的撞擊角度。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

根據(jù)Rahimi等［12］的凝膠管流分析，噴注器的構(gòu)型會(huì)影響到其出口凝膠的黏度分布，因此噴注器的構(gòu)型也是影響凝膠霧化的因素之一。圖2為本文采用的噴注器收斂段示意圖，其特征尺寸包括入口直徑di、收斂角β、出口直徑do及出口平直段長(zhǎng)度Lo，相關(guān)尺寸如圖2所示。

采用壓力罐作為動(dòng)力，能夠給定輸送系統(tǒng)的壓差Δp，但射流速度uj是直接影響撞擊效果的參數(shù)，因此對(duì)不同壓差下的流量進(jìn)行了測(cè)量，獲得了噴注器出口的平均射流速度。對(duì)射流速度與壓差的關(guān)系進(jìn)行了擬合，以表征本噴注器在特定凝膠下的噴射特征。如圖3給出了噴注器噴注速度隨輸送系統(tǒng)壓力差的變化情況，以及相應(yīng)的擬合曲線。從圖3中可以看出，噴射速度隨壓差呈現(xiàn)非線性的變化趨勢(shì)。當(dāng)壓差為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的射流速度為負(fù)值。這主要是因?yàn)槟z模擬液存在一定的屈服應(yīng)力，輸送系統(tǒng)需要達(dá)到一定的壓差才能驅(qū)動(dòng)凝膠流動(dòng)。

圖2 噴嘴收斂段構(gòu)型圖Fig. 2 Convergent section of injector

圖3 射流速度與壓差關(guān)系Fig. 3 Jet velocity vs. pressure drop

1. 2 煤油凝膠及其模擬液

本文制備了煤油基凝膠推進(jìn)劑。撞擊霧化需要較多的工質(zhì)，如果直接采用煤油凝膠，可能存在一定安全隱患。因此，本文以水為基，質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的納米SiO2為膠凝劑，制備了凝膠模擬液。制備中采用高速分散機(jī)，高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在15 000 r/ min以上，這樣便于形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，并且分散后滴入一定量的表面活性劑可以加強(qiáng)凝膠結(jié)構(gòu)的生成。高速分散過程中可能會(huì)產(chǎn)生氣泡，此時(shí)需要將模擬液放置于真空環(huán)境中做消泡處理。圖4所示為本文所制備的煤油凝膠推進(jìn)劑及其模擬液。

目前對(duì)于凝膠推進(jìn)劑，冪律本構(gòu)模型由于其簡(jiǎn)單性和較好的適應(yīng)性而得到廣泛的應(yīng)用。其本構(gòu)方程［13］可以表示為

圖4 凝膠推進(jìn)劑及其模擬液Fig. 4 Gel propellant and simulant

凝膠制備完成后，采用美國(guó)Brookfield公司產(chǎn)DV-3T流變儀測(cè)量了模擬液的流變特征，并且使用冪律模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖5給出了黏性和剪切速率在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的變化及擬合曲線。從圖5中看出黏度隨剪切速率增大而減小，這體現(xiàn)了模擬液剪切稀化特征。通過擬合曲線的斜率和截距可以獲取凝膠模擬液的稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)。本文制備的凝膠模擬液稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)分別為K =619. 5 Pa·sn，n = -0. 065.本文中流動(dòng)指數(shù)為負(fù)值，這主要是因?yàn)楸疚闹苽涞腟iO2模擬液具有較強(qiáng)的觸變性，測(cè)量擬合時(shí)其影響體現(xiàn)到流動(dòng)指數(shù)上，從而導(dǎo)致其值偏小，相關(guān)測(cè)試結(jié)果與Arnold等［14］給出的結(jié)果相似。

圖5 表觀黏度與剪切速率關(guān)系及其擬合曲線Fig. 5 Viscosity of simulant at different shear rates and its fitting curve

1.3 偏心撞擊及液膜偏角

所謂射流偏心，即指兩股射流軸線不能相交，射流未完全相撞。圖6給出了偏心撞擊噴嘴的后視圖。圖6中s為兩噴注器軸線距離。從圖6中可以看到，噴注器有部分液體流量沒有參與撞擊，將保持原方向流動(dòng)，從而導(dǎo)致撞擊液膜偏離正撞擊時(shí)的豎直位置。液膜偏離角為ψ.

圖6 偏心撞擊噴嘴后視圖Fig. 6 Rear view of eccentric injectors

為對(duì)偏心進(jìn)行表征，本文采用了一無量綱參數(shù)，定義如下：

式中：sk為無量綱偏心度；do為噴注器出口直徑。

偏心撞擊的液膜偏角ψ是一個(gè)重要參數(shù)，它主要是由部分射流動(dòng)量參與撞擊引起的。因此，為了計(jì)算液膜偏角，需要得到未參與撞擊的射流動(dòng)量比。因?yàn)樯淞魉俣仁腔诹髁康钠骄俣?，并且凝膠為不可壓縮流體，所以可以以兩射流截面的相互關(guān)系來計(jì)算非撞擊動(dòng)量比。圖7所示為偏心撞擊時(shí)兩射流截面相互位置關(guān)系圖。偏心撞擊時(shí)的射流截面為一橢圓，其長(zhǎng)徑為do/ cos α，短徑為do，O為射流截面的橢圓中心。偏心撞擊時(shí)，受橢圓頂冠影響的射流部分都參與了撞擊，如圖中陰影部分所示。

圖7 偏心撞擊射流截面Fig. 7 Section of eccentric jets

基于圖7，非撞擊動(dòng)量比可以定義為

式中：S0為橢圓射流截面面積；Ss為C1C2B1的面積。Ss可以通過（4）式計(jì)算：

式中：θ= arcsin（2C1B1cos α/ do），當(dāng)點(diǎn)C1在點(diǎn)O上方時(shí)，定義為OC1≥0，點(diǎn)C1在點(diǎn)O下方時(shí)，則有OC1＜0.利用非撞擊動(dòng)量比和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)便可以計(jì)算出相應(yīng)方向上的射流動(dòng)量各分量。（5）式和（6）式分別為非撞擊動(dòng)量在噴注器相對(duì)方向的分量和參與撞擊的射流動(dòng)量：

采用（5）式和（6）式的動(dòng)量分量便可以計(jì)算出偏心撞擊時(shí)的液膜偏角為

1. 4 Rosin-Rammler公式

本文對(duì)斜撞擊條件下的撞擊霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)撞擊霧化顆粒尺寸分布進(jìn)行了測(cè)量。采用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)出不同尺寸范圍內(nèi)顆粒數(shù)目、體積及表面積，從而計(jì)算出相應(yīng)的液滴長(zhǎng)度平均直徑D10、面積平均直徑D20和體積平均直徑D30，以及索特平均直徑（SMD）D32和德布魯克平均直徑D43.對(duì)于顆粒的尺寸分布，Rosin-Rammler經(jīng)驗(yàn)公式由于其簡(jiǎn)便性和較少的擬合參數(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其表達(dá)式［15］為

式中：QC為小于某一尺寸時(shí)的累積液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)；DX為累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)X達(dá)到63. 2%時(shí)對(duì)應(yīng)的液滴尺寸；q為Rosin-Rammler指數(shù)，也叫均勻度指數(shù)，其值越大表示液滴尺寸分布越均勻，無窮大時(shí)表示液滴尺寸趨于一致；d為液滴直徑。

2 結(jié)果與討論

2. 1 單股射流分析

撞擊霧化是依靠?jī)晒缮淞髯矒舳?，因此射流本身特性也?huì)對(duì)射流撞擊效果產(chǎn)生較大影響。射流從噴注器高速噴出后，會(huì)受到氣動(dòng)力的擾動(dòng)，射流的型面會(huì)產(chǎn)生較大變化，從而偏離原圓柱形狀。當(dāng)射流速度較高時(shí)，這種變化將變得尤為明顯，在較短距離內(nèi)射流表面就被撕裂發(fā)生破碎。為了研究偏心對(duì)撞擊霧化的影響，偏心撞擊時(shí)射流形貌要盡可能接近未受擾動(dòng)時(shí)的形狀，因此有必要對(duì)單股射流的噴射進(jìn)行研究。為了獲取所配制凝膠模擬液在不同射流速度下的射流形貌，本文采用圖1所示裝置對(duì)單噴注器的噴射過程進(jìn)行了拍攝，如圖8所示。

圖8 不同速度下的射流形貌Fig. 8 The jet morphologies at different jet velocities

從圖8中可以看出，隨著噴射速度的增大，射流受到的擾動(dòng)逐漸增大，射流表面發(fā)生較大的形變。強(qiáng)洪夫等［16］和曹琪等［17］在關(guān)于管道流動(dòng)的研究中指出，在收斂截面中凝膠的表觀黏度有較大程度的降低，并且流量越大出口黏度越小。因此射流速度高時(shí)氣動(dòng)力增強(qiáng)，同時(shí)凝膠黏度較低，二者都使擾動(dòng)得以加強(qiáng)。

當(dāng)速度超過30. 84 m/ s時(shí)，射流受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，發(fā)展到一定距離時(shí)表面發(fā)生破碎，并且速度越高，射流破碎越早程度越高。射流速度較低時(shí)，射流沒有發(fā)生破碎，但仍能觀察到擾動(dòng)波的發(fā)展。根據(jù)圓柱射流的穩(wěn)定性分析，對(duì)稱波形的擾動(dòng)波具有最快增長(zhǎng)率，占主導(dǎo)地位。但是，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)波的模態(tài)并不是單一的，并且隨著射流的發(fā)展不斷變化。當(dāng)噴射速度低到7. 59 m/ s時(shí)，射流受到擾動(dòng)很小，射流表面只發(fā)生了輕微的變化。另外，靠近噴注器出口擾動(dòng)處在發(fā)展的初始階段其振幅大小有限，不同速度下的射流形變都較小。而離噴注器出口較遠(yuǎn)時(shí)，射流擾動(dòng)過大同樣不利于偏心撞擊的效果。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，撞擊位置在0. 6～3 mm之間時(shí)，效果最好。因此，在偏心撞擊研究中，為了盡量減小其他因素的影響，應(yīng)使撞擊位置處于該范圍內(nèi)。

因此，本文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，撞擊點(diǎn)取為距噴注器出口1 mm處。壓差為0. 4 MPa，對(duì)應(yīng)射流速度為7. 59 m/ s，該速度下射流擾動(dòng)也相對(duì)較小，適合對(duì)偏心撞擊進(jìn)行研究，撞擊角度2α為90°.

2. 2 偏心撞擊對(duì)噴霧行為的影響

采用高度微調(diào)器，對(duì)射流撞擊的偏心度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)0. 5/6～3. 0/6等6種偏心度下的撞擊霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，作為對(duì)比同時(shí)也對(duì)正撞擊下的噴霧進(jìn)行了研究。由于在偏心撞擊時(shí)，撞擊液膜偏離原來正撞擊時(shí)的豎直位置，采用Shadow拍攝時(shí)，無法表現(xiàn)這種傾斜的程度。要使拍攝始終垂直于液膜，將大大增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和操作難度。因此，本實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)仍然保持光源和高速相機(jī)水平，同時(shí)在噴霧后方進(jìn)行拍攝以捕捉液膜的傾斜程度。如圖9給出了3種偏心度下的液膜噴霧形態(tài)和后視圖。

從圖9中可以看出，隨著偏心度的增大，撞擊液膜偏移原豎直位置的角度越大。從液膜行為看，不同偏心度下液膜發(fā)展和破碎形式基本相同，并且和無偏心時(shí)也相似，液絲和液滴的數(shù)量和空間密集程度也一致。在射流撞擊點(diǎn)，凝膠展開形成液膜，并且在較短距離內(nèi)生成較多的液絲，隨后液絲破碎形成大量液滴。其破碎模式與Baek等［15］在Carpobol有機(jī)凝膠撞擊霧化中發(fā)現(xiàn)的“開放液膜與分離液絲”模式相似，不同之處在于本文制備的SiO2無機(jī)凝膠液絲更易破碎生成液滴，并且液膜也更易受到擾動(dòng)。除去本構(gòu)的影響外，其分子結(jié)構(gòu)也是造成這種現(xiàn)象的重要因素。偏心度繼續(xù)增大時(shí)，霧化區(qū)域上下側(cè)的液滴偏離對(duì)焦平面距離較大，相機(jī)未能捕捉。另外，當(dāng)偏心度達(dá)到1. 5/6時(shí)，液膜自撞擊點(diǎn)開始出現(xiàn)了一定角度更為暗淡的區(qū)域，說明在該區(qū)域集中了較多的凝膠。因?yàn)樯淞髦行腻e(cuò)開后，隨著偏心度增大，射流的撞擊效果未能改變這種流量不對(duì)稱性，從而形成了較為明顯的兩個(gè)流量集中區(qū)域。由此，可以預(yù)見當(dāng)偏心度達(dá)到一定程度時(shí)噴霧的空間分布將形成兩個(gè)明顯的質(zhì)量集中區(qū)域。

圖9 不同偏心度下的液膜形態(tài)和液膜偏角Fig. 9 Sheet and spray incline angle at different eccentricities

液膜的破碎長(zhǎng)度Lp也是衡量其霧化效果的重要參數(shù)之一。Heislbetz等［18］和王楓等［19］對(duì)破碎長(zhǎng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了廣泛的討論，試圖從穩(wěn)定性理論獲得其值，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。本文也對(duì)破碎長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)量。圖10所示為不同偏心度下撞擊液膜的破碎長(zhǎng)度。從圖10中可以看出，偏心度超過1. 0/6后，液膜破碎長(zhǎng)度基本保持不變，但都比0. 5/ 6小。這主要是因?yàn)殡S著偏心度增大，射流對(duì)凝膠的剪切作用增強(qiáng)，有利于撞擊霧化，但是到一定程度時(shí)黏度減小有限，破碎長(zhǎng)度變化不明顯。

圖10 破碎長(zhǎng)度與偏心度關(guān)系Fig. 10 Breakup length vs. eccentricity

（2）式和（3）式分別定義了偏心度和非撞擊動(dòng)量比，后者可以通過偏心度計(jì)算，從而進(jìn)一步求解偏心撞擊液膜偏角。表1給出了偏心度和非撞擊動(dòng)量比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 偏心度與非撞擊動(dòng)量比對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab. 1 Eccentricity and non-impinging momentum ratio

從表1中看出，偏心度和非撞擊動(dòng)量比都可以衡量偏心程度，但是二者變化規(guī)律顯著不同。這主要是隨著偏心度的增大，射流相交面積并非呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。

利用（7）式可以對(duì)撞擊液膜偏角進(jìn)行理論計(jì)算，并且通過如圖9所示的噴霧后視圖可以獲得其實(shí)驗(yàn)值。圖11給出了本文液膜偏角的實(shí)驗(yàn)值和理論值的對(duì)比。從圖11中可以看出，隨著偏心度的增大，液膜偏角逐漸增大。這是因?yàn)榉亲矒魟?dòng)量增大后，射流保持原有方向能力較強(qiáng)，偏轉(zhuǎn)程度增大。對(duì)所有的偏心度，理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相比偏小。這可以歸結(jié)于在理論計(jì)算中忽略了偏心撞擊對(duì)射流軸線間凝膠的稀化作用，而理論計(jì)算中則忽略這種不對(duì)稱黏性的影響。

圖11 液膜偏角與偏心度關(guān)系Fig. 11 Spray incline angle vs. eccentricity

2. 3 偏心撞擊對(duì)顆粒尺寸分布的影響

在霧化領(lǐng)域，液體霧化后其顆粒的尺寸及分布是衡量霧化質(zhì)量的直接因素。因此，本文采用與液膜測(cè)試相同的實(shí)驗(yàn)工況，對(duì)凝膠撞擊霧化的液滴尺寸特征進(jìn)行了測(cè)試。撞擊霧化場(chǎng)前端顆粒未完全破碎，非球形大液滴和液絲較多，但采用丹麥Dantec公司的Dynami Studio軟件計(jì)算時(shí)統(tǒng)一認(rèn)定為球形液滴而存在較大的誤差。為了更好地反映真實(shí)情況，測(cè)試位置應(yīng)選擇離撞擊點(diǎn)較遠(yuǎn)處，因此本文統(tǒng)一取拍攝距離為100 mm，拍攝范圍為15 mm×10 mm.對(duì)每一組工況，取充分發(fā)展后1 000張圖片進(jìn)行處理，并在處理時(shí)采用相同的約束條件以保證提取出的顆粒具有可比性。圖12給出無偏心撞擊下液滴圖像。從圖12中可以看到，圖像中存在較多黑色顆粒，輪廓較為清晰的為對(duì)焦平面的液滴。使用Dynami Studio軟件通過相關(guān)算法，便能從圖像中提取液滴信息，對(duì)霧化場(chǎng)的液滴個(gè)數(shù)、尺寸和分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖12 霧化場(chǎng)液滴圖像Fig. 12 The photographed droplets

圖13為無偏心撞擊情況下不同顆粒粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒數(shù)目和體積分布曲線。從圖13中可以看出，顆粒的數(shù)目分布與常見的正太分布存在較大區(qū)別。當(dāng)顆粒的顆粒直徑大于100 μm時(shí)，其數(shù)目中間大、兩端??；而顆粒粒徑為50～100 μm時(shí)，顆粒數(shù)目達(dá)到峰值，集中了大量的顆粒。這種現(xiàn)象對(duì)所有實(shí)驗(yàn)工況都存在，因此應(yīng)為撞擊霧化本身具有的特性。本文認(rèn)為射流撞擊具有強(qiáng)烈的非線性作用，促進(jìn)了短波的發(fā)展，使得小顆粒的數(shù)目大大增加。圖13（b）的左坐標(biāo)為顆粒粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒體積分?jǐn)?shù)Q，而右坐標(biāo)為累積體積分?jǐn)?shù)QC.顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)了中間大、兩頭小的分布規(guī)律，凝膠絕大部分質(zhì)量分布于150～450 μm.累積體積分?jǐn)?shù)的分布為標(biāo)準(zhǔn)的Rosin-Rammler分布規(guī)律，這也是相關(guān)研究者采用這種經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合的原因。因此，本文也對(duì)不同偏心度下的撞擊霧化顆粒體積分布進(jìn)行了測(cè)量。

圖13 典型液滴尺寸分布圖像Fig. 13 Typical size distribution of droplets

圖14給出了不同偏心下的液滴尺寸分布，而表2列出了相應(yīng)的Rosin-Rammler擬合參數(shù)。從圖14中可以看出，液滴尺寸分布與Rosin-Rammler分布規(guī)律基本吻合，并且不同偏心下撞擊霧化場(chǎng)的液滴尺寸分布相似。表2中的定量結(jié)果顯示，無偏心時(shí)DX隨著迅速下降，在2. 0/6前隨著偏心度的增大而增大，但是增長(zhǎng)的幅度很小。而偏心度為2.5/6時(shí)，DX又有所減小。另外，均勻度指數(shù)q均在4～5之間，并且與偏心度沒有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。撞擊噴霧的均勻度比一般的噴霧稍高，但是較旋轉(zhuǎn)式噴嘴噴霧差。由此可以得出結(jié)論，對(duì)于撞擊霧化噴嘴，當(dāng)存在偏心時(shí)，偏心度的大小對(duì)撞擊霧化的液滴尺寸分布影響較小。

圖14 不同偏心下的液滴尺寸分布Fig. 14 The size distribution at different droplet diameters

表2 不同偏心度下Rosin-Rammler擬合參數(shù)Table 2 Rosin-Rammler parameters at different eccentricities

凝膠燃料霧化后，其蒸發(fā)的快慢是影響后續(xù)質(zhì)量輸運(yùn)和燃燒反應(yīng)的重要因素，可以通過液體霧化后的SMD來表征。圖15給出了SMD隨偏心度的變化情況。從圖15中可以看出，存在偏心時(shí)SMD值與偏心度沒有明顯的關(guān)系，但始終小于無偏心時(shí)的情況。當(dāng)偏心為0. 5/6時(shí)，其值達(dá)到最小，由此可以得出結(jié)論，當(dāng)撞擊有一定偏心度時(shí)有利于凝膠的霧化。但是，偏心度也不能太大，太大會(huì)導(dǎo)致液膜偏角太大，使凝膠局部大顆粒增多，霧化效果反而下降。而偏心度超過2. 0/6時(shí)，SMD有所下降。這主要是因?yàn)槠亩容^大時(shí)射流質(zhì)量分布向兩側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致拍攝區(qū)域出現(xiàn)較多的小顆粒，如圖9所示。

3 結(jié)論

1）隨著噴射速度的增大，單股射流受到的擾動(dòng)逐漸增大，表面形變較大。但是，在靠近噴注器出口擾動(dòng)處在發(fā)展的初始階段其振幅大小有限，不同速度下的射流擾動(dòng)都很小。

圖15 液滴SMD與偏心度關(guān)系Fig. 15 SMD vs. eccentricity

2）不同偏心度下液膜發(fā)展和破碎形式基本相同，在射流撞擊點(diǎn)，凝膠展開形成液膜，并且在較短距離內(nèi)生成較多的液絲，隨后液絲破碎形成大量液滴。當(dāng)偏心度達(dá)到1. 5/6時(shí)，液膜自撞擊點(diǎn)開始出現(xiàn)了一定角度更為暗淡的區(qū)域，該區(qū)域集中了較多的凝膠，流量不對(duì)稱性增強(qiáng)。

3）隨著偏心度的增大液膜偏角逐漸增大，與理論值比較，實(shí)驗(yàn)值偏小。這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算中忽略了偏心撞擊對(duì)射流軸線間凝膠的稀化作用。

4）本文研究范圍內(nèi)，偏心度的大小對(duì)撞擊霧化的液滴尺寸分布影響較小，但有偏心時(shí)的SMD值比無偏心時(shí)的小，并在0. 5/6達(dá)到最小值。

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Experimental Research on the Effect of Eccentric Impact of Jet on the Impinging Atomization of Gel Propellant

DENG Han-yu1，F(xiàn)ENG Feng1，WU Xiao-song1，YU Xing-fei1，ZUO Ying-ying2
（1. School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2. Shanxi North Xing’an Chemical Indutry Co.，Ltd.，Tianyuan 030008，Shanxi，China）

Abstract：In order to study the effect of eccentric impact of jet on the impinging atomization of gel propellant，a relative experimental system is established，and a gel propellant as well as a simulant are prepared. Jet behavior，impinging liquid sheet and droplet size distribution at different eccentricities are measured. Spray incline angle is deduced theoretically and compared to the experimental results under eccentric impingement. The results indicate that the disturbances on jets are strengthened with increase in jet velocity. However，the deformations of the jets near injectors are all very small at different jet velocities since the disturbance is limited. The development and breakup of liquid sheet are basically the same under different eccentricities. While the eccentricity exceeds 1. 5/6，two darker regions with a certain angle appear at the impinging point，resulting in the enhancement of flux nonsymmetry. As the eccentricity is improved，the spray incline angle enlarges and is less than the theoretical result. The eccentricity has a little influence on the droplet size distribution of impinging atomization，but Sauter mean diameter （SMD）with eccentricity is always lower than that without eccentricity. And SMD reaches the smallest when the eccentricity equals to 0. 5/6.

Key words：ordnance science and technology；gel propellant；impinging atomization；eccentricity；sheet；droplet size

中圖分類號(hào)：V513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）04-0612-09

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 006

收稿日期：2015-07-02

基金項(xiàng)目：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CASC03-02）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（30920140112001）

作者簡(jiǎn)介：鄧寒玉（1988—），男，博士研究生。E-mail：dhy19890120@163. com；