凝膠推進(jìn)劑模擬液靜電霧化行為規(guī)律研究

吳德志，孫　瑜，王　勇，羅毅輝，趙　揚(yáng)，陳沁楠，王凌云，洪　流，孫道恒

(1.廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院，福建 廈門(mén) 361102；2.西安航天動(dòng)力研究所，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

WU Dezhi1, SUN Yu1, WANG Yong2, LUO Yihui1, ZHAO Yang1, CHEN Qinnan1, WANG Lingyun1, HONG Liu2, SUN Daoheng1

(1. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361102, China; 2. Science and Technology on Liquid Rocket Engine Laboratory, Xi’an Aerospace Propulsion Institute, Xi’an 710100, China)

0　引言

凝膠推進(jìn)劑具有運(yùn)輸安全、可長(zhǎng)期貯存、使用維護(hù)方便和推力可控等特點(diǎn)，兼具固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑的主要優(yōu)點(diǎn)，是一種航空航天推進(jìn)系統(tǒng)的新型推進(jìn)劑[1]。凝膠推進(jìn)劑是指在液體推進(jìn)劑中添加定量的膠凝劑，從而改變其流變特性成為類(lèi)似固體的分散體結(jié)構(gòu)[2]，通常表現(xiàn)出剪切變稀行為和觸變行為。目前研究主要包括流變特性、霧化特性、燃燒特性3方面，其中霧化特性是連接流變特性和燃燒特性的紐帶，是目前研究的重點(diǎn)，獲得較為廣泛的研究[3-4]。

霧化效果沿用液體推進(jìn)劑的表征方法，采用噴霧角、液膜破碎長(zhǎng)度、液滴的索太爾平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)等參數(shù)進(jìn)行表征，包含實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬兩種方式。張蒙正等[5-6]使用水凝膠模擬液為介質(zhì)，研究撞擊角度、撞擊速度、射流波動(dòng)及在射流中增加氣體擾動(dòng)對(duì)雙組元系統(tǒng)霧化的影響，結(jié)果表明增大撞擊角度和射流速度、減小射流直徑有助于凝膠推進(jìn)劑的霧化，增加氣體擾動(dòng)或射流波動(dòng)可以進(jìn)一步促進(jìn)其霧化。Fakhri等[7]研究凝膠水溶液和非凝膠水溶液在不同入口形狀及長(zhǎng)徑比條件下的雙股射流撞擊霧化效果，結(jié)果表明凝膠水溶液射流撞擊形成的液膜更穩(wěn)定，液滴尺寸及分布空間更?。蝗肟谛螤顚?duì)霧化效果影響不大，長(zhǎng)徑比越大，則索太爾平均直徑越大，長(zhǎng)徑比越小，則射流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面波動(dòng)，影響射流撞擊的精度。Fu等[8]研究了圓形、橢圓形和方形噴口條件下雙股射流撞擊霧化的效果，發(fā)現(xiàn)在橫截面積相同條件下，方形噴口的射流在軸向轉(zhuǎn)換特性行為下會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，使液膜的破碎長(zhǎng)度小于圓形噴口；橢圓形噴口液膜破碎長(zhǎng)度時(shí)大時(shí)小，射流的穩(wěn)定性不如圓形噴口，非圓形噴口引起的射流波動(dòng)有利于增強(qiáng)射流撞擊霧化效果，但是加工難度大，不利于工程應(yīng)用。Dong-Jun Ma等[9]結(jié)合流體體積(volume of fluid,VOF)方法和基于八叉樹(shù)網(wǎng)格的AMR技術(shù)對(duì)牛頓及非牛頓流體雙股射流撞擊的一次霧化進(jìn)行數(shù)值模擬，得到非牛頓流體兩種霧化模式，并發(fā)現(xiàn)引起液膜破碎的主要原因是流體的粘性力和表面張力。強(qiáng)洪夫等[10-12]為克服凝膠推進(jìn)劑的高粘度對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的限制、提高表面張力計(jì)算精度并有效施加固壁邊界條件，發(fā)展了三維多時(shí)間步隱式光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法，并且提出基于CSPM修正的表面張力算法和基于罰函數(shù)方法的新型邊界力模型，可以模擬射流撞擊、液膜形成、液膜破碎的過(guò)程，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。

雙組元凝膠推進(jìn)劑傳統(tǒng)霧化方式是通過(guò)加工特定的噴頭結(jié)構(gòu)或者雙股高速射流的撞擊來(lái)實(shí)現(xiàn)霧化，這樣的霧化方式需要高壓泵和閥等部件，增大了整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和體積，霧化液滴直徑通常大于100 μm，限制了燃燒效率的提高。

靜電霧化技術(shù)對(duì)液體強(qiáng)制荷電并引入外加電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)力的作用克服液體表面張力和粘性力，將液體拉伸直至破碎成為微小霧滴，已可用于液體燃料的霧化燃燒[13-14]及高粘度溶液霧化當(dāng)中[15]。本文研究凝膠推進(jìn)劑靜電霧化的可行性及行為規(guī)律，包括溶液特性、針管直徑、收集距離等參數(shù)對(duì)霧滴粒徑分布及散射角分布的影響，并籍此分析多針管?chē)婎^靜電霧化并獲得理想霧化效果的可行性。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1　凝膠模擬液流變特性

基于安全考慮，參照實(shí)際使用的甲基肼和四氧化二氮凝膠的流變特性，采用3種不同流變特性的水凝膠模擬溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。室溫條件下，3種水凝膠模擬液的剪切粘度-剪切速率關(guān)系如圖1所示，顯然3組溶液都具備良好的剪切變稀行為，相對(duì)而言，3號(hào)水凝膠模擬液初始粘度最高且剪切變稀行為更顯著。

圖1　3種不同凝膠模擬液流變特性曲線(xiàn)：(a)T= 0 h；(b)T= 20 h Fig.1　Rheological characteristic curves of three different gelled simulants

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置及研究對(duì)象

靜電霧化實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，注射泵提供持續(xù)穩(wěn)定推力使凝膠模擬液從注射器金屬針管尖端緩慢流出，在注射器金屬針管上施加臨界電壓，接收板接地，針管尖端和接收板之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，針管尖端流出液滴在電場(chǎng)力作用下形成穩(wěn)定泰勒錐，并克服表面張力和粘性力被拉伸破碎成帶電小液滴，并在電場(chǎng)和帶電粒子相互作用下向收集板運(yùn)動(dòng)，最終粘附在收集板上。在凝膠推進(jìn)劑靜電霧化的過(guò)程中，通過(guò)CCD相機(jī)觀測(cè)針尖液體在電場(chǎng)力作用下拉伸破碎成較小液滴的過(guò)程。

圖2　靜電霧化示意圖Fig.2　Schematic of electrostatic atomization

凝膠模擬液靜電霧化的霧滴粒徑分布和散射角對(duì)其霧化程度及雙組元射流撞擊實(shí)驗(yàn)的可行性具有重要指導(dǎo)作用?？紤]到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制以及具體的需求，分析霧化液滴粒徑和散射角在不同實(shí)驗(yàn)條件下的變化規(guī)律時(shí)，使用載玻片收集霧化液滴，通過(guò)光學(xué)顯微鏡分析測(cè)定收集到的霧滴直徑來(lái)表征其霧滴粒徑的變化規(guī)律。每組選取一百滴霧滴樣品，使用光學(xué)顯微鏡及配套軟件測(cè)量霧滴直徑，顯然收集霧滴直徑遠(yuǎn)大于實(shí)際霧滴直徑，其變化規(guī)律可以間接體現(xiàn)實(shí)際霧滴粒徑變化規(guī)律。根據(jù)凝膠模擬液靜電霧化的圖像可知，散射角由兩部分組成，上端為錐形，下端為弧形，錐型部分的角度小于弧形部分角度，錐型部分的分析結(jié)果可代表實(shí)際霧化角的變化規(guī)律，所以本文使用的散射角都是指錐型部分，數(shù)值可用電子顯微鏡配套軟件測(cè)定。試驗(yàn)選擇22G，23G及25G三種針管(參數(shù)見(jiàn)表1)分析凝膠模擬液的靜電霧化粒徑分布和散射角變化規(guī)律。

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2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　凝膠推進(jìn)劑靜電霧化實(shí)驗(yàn)條件

搭建靜電霧化實(shí)驗(yàn)裝置，分別在注射器中填充1,2,3號(hào)凝膠模擬液，調(diào)整供液速率、針管規(guī)格、施加電壓和收集距離研究其靜電霧化的可行性，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，只有1號(hào)模擬液與2號(hào)模擬液在一定實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定靜電噴霧，3號(hào)凝膠模擬液由于粘度較大會(huì)被拉伸成為絲帶狀，不能穩(wěn)定破碎成為更小液滴。所以將1號(hào)模擬液與2號(hào)模擬液作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)溶液，在穩(wěn)定靜電霧化條件下1號(hào)與2號(hào)模擬液總體的供液速率在10～30 μL/h。采用22 G針管，當(dāng)收集距離從2 cm增加到5 cm時(shí)，1號(hào)凝膠模擬液霧化臨界電壓從6.02 kV增加到6.93 kV，2號(hào)凝膠模擬液臨界電壓從6.21 kV增加到7.20 kV，如圖3所示。而且針管直徑越小，霧化臨界電壓越低，這主要是由于針管?chē)娮鞙p小導(dǎo)致電場(chǎng)增強(qiáng)。

圖3　臨界電壓與收集距離關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3　Relationship between critical voltage and collection distance

2.2　收集霧化液滴粒徑分布

圖4展示了不同針管規(guī)格、收集距離條件下一號(hào)模擬液霧化液滴粒徑分布及變化規(guī)律情況?？梢钥闯觯樄芤?guī)格為22G，收集距離分別為2 cm、3 cm、4 cm及5 cm時(shí)，收集液滴平均直徑分別為42.07 μm，38.36 μm，35.94 μm及26.81 μm，收集液滴的平均直徑隨收集距離的增大而減小，同時(shí)粒徑分布也更為集中。這主要是由于增大收集距離使液滴在空中飛行時(shí)間增長(zhǎng)，有利于液滴在空中完全破碎。針管規(guī)格分別為23G和25G時(shí)霧化液滴粒徑分布變化規(guī)律也是一致的，并且在同樣條件下，收集液滴直徑隨管內(nèi)徑的減小而減小，這是因?yàn)槭┘油瑯拥碾妷?，針管直徑越小，液滴所帶電荷密度越大，容易達(dá)到Rayleigh極限，破碎更完全，使霧化液滴粒徑更小，尺寸分布更集中。

Rayleigh極限通常表示為

式中Q，E，d和εr分別為電荷量、電場(chǎng)強(qiáng)度、液滴直徑和相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)液滴的帶電量達(dá)到Rayleigh極限時(shí)，液滴將會(huì)破碎成更小的帶電液滴[16]，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)Rayleigh極限與液滴直徑的平方成正比關(guān)系，即在同樣的電荷密度條件下，液滴的直徑越小，越容易達(dá)到Rayleigh極限。

從圖5可以看出，2號(hào)凝膠模擬液在不同收集距離和針管規(guī)格條件下靜電霧化霧滴粒徑柱狀分布圖和相應(yīng)的正態(tài)分布擬合曲線(xiàn)與1號(hào)模擬液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，當(dāng)針管規(guī)格為22G，收集距離分別為2cm、3cm、4cm及5cm時(shí)，收集液滴平均直徑分別為67.56 μm，61.10 μm，51.75 μm及39.84 μm。

可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整針管規(guī)格和收集距離等可以調(diào)控凝膠模擬液的靜電霧化霧滴直徑分布。同樣條件下，1號(hào)凝膠模擬液的靜電噴霧液滴直徑小于2號(hào)模擬液，液滴直徑分布更集中均勻。1號(hào)凝膠模擬液所含有的膠凝劑要小于2號(hào)凝膠模擬液，所以1號(hào)凝膠模擬液的電導(dǎo)率小于2號(hào)凝膠模擬液，結(jié)合Rayleigh極限公式可知，1號(hào)凝膠模擬液更容易達(dá)到Rayleigh極限，即1號(hào)凝膠模擬液在電場(chǎng)作用下破碎的更為徹底。但霧化液滴粒徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致其在腔體內(nèi)的分布不均勻，縮小燃燒穩(wěn)定性的范圍，甚至?xí)谷紵式档蚚17]，所以具備2號(hào)凝膠模擬液流變特性的燃料凝膠和氧化劑凝膠在點(diǎn)火試驗(yàn)中會(huì)具有更好的性能表現(xiàn)。

圖4　1號(hào)凝膠模擬液在不同收集距離時(shí)靜電霧化液滴直徑分布Fig.4　Diameter distribution of electrostatic atomization droplet of No.1 gelled simulant at different collection distances

圖5　2號(hào)凝膠模擬液在不同收集距離時(shí)靜電霧化液滴直徑分布Fig.5　Diameter distribution of electrostatic atomization droplet of No.2 gelled simulant at different collection distances

2.3　霧化散射角分布

1號(hào)凝膠模擬液和2號(hào)凝膠模擬液在不同針管規(guī)格和收集距離條件下的散射角分布如圖6所示。當(dāng)針管規(guī)格為22G，收集距離為2 cm，3 cm，4 cm及5 cm時(shí)，1號(hào)凝膠模擬液的最大散射角分別為22.46°，18.6°，14.65°及11.81°，即隨著收集距離增大，散射角逐漸減小。這是因?yàn)槭占嚯x增大，電極間電場(chǎng)逐漸減弱，荷電量減少，帶電液滴被拉伸破碎的力減小，引起散射角的減小。同時(shí)可以看到，散射角也隨著針管直徑減小而減小，這是因?yàn)獒樄苤睆皆叫?，穩(wěn)定靜電噴霧時(shí)的供液速率和臨界電壓越小，破碎液滴帶電量減小使帶電液滴之間排斥力減弱，導(dǎo)致噴霧角的減小。對(duì)于2號(hào)凝膠模擬液，當(dāng)針管規(guī)格為22G，收集距離為2 cm，3 cm，4 cm及5 cm時(shí)，最小散射角分別為27.54°，23.21°，18.77°及15.35°，其相應(yīng)規(guī)律和1號(hào)凝膠模擬液相似。

圖6　1號(hào)凝膠模擬液與2號(hào)凝膠模擬液的散射角分布Fig.6　Jet-spread angle distribution of No.1 gelled stimulant and No.2 gelled simulant

2.4　多針管?chē)婎^靜電霧化分析

單針管結(jié)構(gòu)流量和推力量級(jí)過(guò)小，不利于推進(jìn)系統(tǒng)的使用，必須開(kāi)發(fā)多噴頭結(jié)構(gòu)，其靜電霧化結(jié)果可以輔助分析多噴頭結(jié)構(gòu)的可行性。多噴頭結(jié)構(gòu)中各個(gè)針管間距均為1 cm[18-19]。每個(gè)針管靜電噴霧都有自己的霧化區(qū)域，各霧化區(qū)域之間必須具備一定的相交性，才能夠保證霧化液滴能夠覆蓋到整個(gè)區(qū)域。

以7針管?chē)婎^結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示，霧化區(qū)域臨界分布如圖7(b)所示，圓心間距即為針管間距設(shè)置為1 cm，霧化區(qū)域臨界分布是指各針管霧化區(qū)域剛剛能夠覆蓋整個(gè)平面的狀態(tài)，這種狀態(tài)更有利于雙組元系統(tǒng)中燃燒劑和氧化劑的碰撞燃燒，此時(shí)對(duì)應(yīng)的霧化角即為臨界霧化角。在實(shí)際多針管?chē)婎^靜電霧化過(guò)程中，各針管間的排斥作用會(huì)使射流產(chǎn)生偏移，即霧化區(qū)域的圓心不是針管的垂直映射，霧化區(qū)域圓心之間的距離實(shí)際大于1 cm，同時(shí)在定義單針管靜電噴霧霧化角的時(shí)候，選用的是錐型部分作為分析對(duì)象，實(shí)際的霧化區(qū)域要大于理論分析的霧化區(qū)域，在這兩種條件相互彌補(bǔ)下，可認(rèn)為此處?kù)F化區(qū)域臨界分布的情況是符合真實(shí)多針管?chē)婎^靜電霧化過(guò)程的。

圖7　7針管?chē)婎^結(jié)構(gòu)及其靜電霧化區(qū)域臨界分布Fig.7　Seven-nozzle structure and its critical distribution in electrostatic atomization region

根據(jù)7針管結(jié)構(gòu)霧化區(qū)域臨界分布圖和針管到收集板之間的距離可以計(jì)算出不同收集距離下的臨界霧化角分布，如圖8所示，收集距離分別為2 cm，3 cm，4 cm及5 cm時(shí)，相應(yīng)的臨界霧化角為33.557°，22.192°，16.598°及13.261°。散射角和臨界霧化角均隨收集距離的增大而減小，但實(shí)際應(yīng)用中收集距離不宜過(guò)大，否則會(huì)增大燃燒室長(zhǎng)度，加大燃燒室設(shè)計(jì)難度，同時(shí)收集距離增大，霧滴的運(yùn)動(dòng)速度減小，不利于兩種溶液霧化液滴的接觸碰撞。

圖8　臨界霧化角分布Fig.8　Distribution of critical jet-spread angle

綜合分析兩種凝膠模擬液在不同收集距離下靜電霧化的霧化角分布可知，一號(hào)凝膠模擬液在不同收集距離條件下均不能達(dá)到霧化區(qū)域臨界分布條件，二號(hào)凝膠模擬液在部分條件下能夠達(dá)到霧化區(qū)域臨界分布條件，當(dāng)針管規(guī)格為22G，收集距離為2 cm，3 cm，4 cm及5 cm時(shí)，其最大霧化角為34.44°，32.86°，23.6°及20.55°，均大于對(duì)應(yīng)臨界霧化角，即可用于多針管結(jié)構(gòu)的靜電霧化，同時(shí)考慮到凝膠模擬液在不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行靜電霧化的粒徑分布，可得結(jié)論，收集距離為3～5 cm，針管規(guī)格為22G是使用多針管?chē)婎^結(jié)構(gòu)進(jìn)行凝膠推進(jìn)劑靜電噴霧的合適條件，能夠得到較好的霧化區(qū)域分布。

3　結(jié)論

凝膠推進(jìn)劑兼具固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑的主要優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)航空航天推進(jìn)系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力，但是應(yīng)用傳統(tǒng)霧化方式霧化較為困難，限制了其使用。本文研究使用靜電霧化技術(shù)對(duì)凝膠推進(jìn)劑模擬液進(jìn)行霧化的實(shí)驗(yàn)條件及霧滴粒徑和散射角分布規(guī)律，并分析多噴頭結(jié)構(gòu)霧化區(qū)域的分布，得到以下結(jié)論：

1)一號(hào)凝膠模擬液和二號(hào)凝膠模擬液能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的靜電噴霧狀態(tài)，當(dāng)收集距離為2～5 cm，供液速度10～30 μL/h，針管內(nèi)徑0.26～0.41 mm時(shí)，臨界電壓為5～7.5 kV。

2)凝膠推進(jìn)劑靜電霧化液滴直徑小于100 μm，隨收集距離的增大和針管直徑的減小而減小，并且分布更為集中；散射角分布在8°～36°之間,隨收集距離的增大和直徑的減小而減小。同樣條件下，1號(hào)凝膠模擬液的霧化液滴直徑和散射角均小于2號(hào)凝膠模擬液。

3)收集距離3～5 cm，針管內(nèi)徑0.41 mm是使用多針管?chē)婎^進(jìn)行凝膠推進(jìn)劑靜電噴霧的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同2號(hào)凝膠模擬液相似流變特性的凝膠推進(jìn)劑可以用于多針管?chē)婎^靜電霧化，霧化區(qū)域分布均勻，可以用于雙組元霧化燃燒系統(tǒng)。