預(yù)剪切對(duì)凝膠汽油霧化特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

徐 高，顧陽(yáng)晨，朱幟帆，翁春生，白橋棟，楊建魯

(1. 南京理工大學(xué) 教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

凝膠推進(jìn)劑是一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑，它是指將燃料或氧化劑通過(guò)凝膠劑凝膠化，從而形成的一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存的膠狀推進(jìn)劑。凝膠推進(jìn)劑是一種非牛頓流體，具有剪切變稀的特性[1-2]，其優(yōu)點(diǎn)是能量密度高、流量易調(diào)節(jié)、安全性高，有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。

凝膠推進(jìn)劑的流變及霧化特性直接關(guān)系到其燃燒質(zhì)量，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。Padwal等[4]研究了凝膠推進(jìn)劑霧化后液滴粒徑與其粘度、流動(dòng)速率的關(guān)系，表明凝膠流動(dòng)速率增加會(huì)造成粘度降低和索太爾平均粒徑增大；楊偉東等對(duì)[5]凝膠推進(jìn)劑模擬液在直圓管中的流動(dòng)特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究；韓偉等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同凝膠劑制成的四氧化二氮凝膠推進(jìn)劑的流變特性，提出了一種性能良好的凝膠推進(jìn)劑配方；Rahimi等[7]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究了凝膠推進(jìn)劑在錐形管道中流動(dòng)時(shí)壁面摩擦力對(duì)其流變特性的影響；Kampen等[8]對(duì)凝膠燃料雙股撞擊霧化過(guò)程中不同的液滴破碎模式進(jìn)行了研究。張蒙正等[9]采用激光全息和圖像處理技術(shù)捕捉了凝膠推進(jìn)劑霧化過(guò)程中的形態(tài)變化，并認(rèn)為減小射流直徑，增大射流撞擊角和射流速度有助于凝膠推進(jìn)劑的撞擊霧化；Baek等[10]對(duì)C934卡波姆凝膠摻入SUS304納米粒子與未摻入該粒子情況下進(jìn)行雙股撞擊霧化實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與水的撞擊霧化進(jìn)行比較；陳杰等[11]對(duì)凝膠模擬液霧化速度場(chǎng)的研究表明，增大撞擊角和增大射流壓差都可提高凝膠推進(jìn)劑有效撞擊速度，當(dāng)有效撞擊速度增大到一定值時(shí)，凝膠推進(jìn)劑可以充分霧化；鄧寒玉等[12]對(duì)凝膠推進(jìn)劑射流的偏心撞擊霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；楊建魯?shù)萚13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了凝膠劑含量和剪切速率對(duì)凝膠汽油表觀粘度的影響。

本文根據(jù)凝膠汽油剪切變稀的特性，設(shè)計(jì)了預(yù)剪切管在凝膠汽油霧化之前對(duì)其進(jìn)行剪切作用，旨在降低其表觀粘度，提升霧化品質(zhì)。采用Malvern粒度儀和粒子速度測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)量了凝膠汽油霧化后的液滴粒徑和速度，分析和評(píng)價(jià)預(yù)剪切管對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響，為凝膠推進(jìn)劑霧化裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 凝膠汽油的配制方法

實(shí)驗(yàn)使用的凝膠推進(jìn)劑由汽油和納米SiO2通過(guò)物理混合的方式配制而成，其中納米SiO2作為凝膠劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。制備時(shí)將納米SiO2加入汽油中，立即進(jìn)行機(jī)械攪拌和超聲波震蕩促使兩種組分混合均勻，即可制得凝膠汽油樣品。

1.2 噴射霧化系統(tǒng)簡(jiǎn)介及預(yù)剪切管的設(shè)計(jì)

1.2.1 噴射霧化系統(tǒng)簡(jiǎn)介及撞擊式霧化流場(chǎng)測(cè)量方案

實(shí)驗(yàn)采用雙股射流撞擊式霧化裝置對(duì)凝膠汽油進(jìn)行霧化，噴射霧化裝置如圖1所示。配制好的凝膠汽油預(yù)先加注到儲(chǔ)存罐中，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)流出，經(jīng)過(guò)球閥②后均分為兩股，通過(guò)噴嘴射出后兩股射流相撞完成霧化。兩股射流的撞擊角θ為90°，噴嘴內(nèi)孔直徑Di為0.8 mm，內(nèi)孔長(zhǎng)度Li為4.8 mm。

圖1 噴射霧化裝置示意圖

為了研究預(yù)剪切管對(duì)凝膠汽油撞擊式霧化特性的影響，采用Malvern粒度儀測(cè)量凝膠汽油霧化后的液滴粒徑，用激光照射霧化區(qū)域，通過(guò)軟件分析液滴造成的光路散射角度計(jì)算激光照射區(qū)域的液滴平均粒徑。本文采用的液滴粒徑數(shù)據(jù)都是在距離噴嘴口300 mm處測(cè)得的液滴索太爾平均直徑(SMD)。采用粒子速度測(cè)試系統(tǒng)(PIV)測(cè)量凝膠汽油霧化后的液滴速度分布，在相同工況下，高速相機(jī)在50 μs的時(shí)間間隔下連續(xù)拍攝霧化流場(chǎng)的兩幀圖像，后處理軟件對(duì)兩幀圖像中所有的液滴進(jìn)行識(shí)別和一一對(duì)應(yīng)，計(jì)算出每一個(gè)液滴的位移，最后得出液滴速度分布。實(shí)驗(yàn)所得霧化流場(chǎng)與文獻(xiàn)[9]對(duì)凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的流場(chǎng)特征的分析相符合。測(cè)量時(shí)可調(diào)節(jié)參量有驅(qū)動(dòng)凝膠汽油的噴射壓力p、預(yù)剪切管喉部直徑D和喉部長(zhǎng)度L。

1.2.2 預(yù)剪切管的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[13]的研究表明，以納米SiO2為凝膠劑的凝膠汽油具有剪切變稀的特性和有限可逆的觸變性，即對(duì)凝膠汽油施加預(yù)剪切時(shí)其表觀粘度會(huì)降低，預(yù)剪切撤除后其表觀粘度會(huì)發(fā)生有限的恢復(fù)，但不能恢復(fù)到初始時(shí)的粘度值。根據(jù)凝膠汽油的以上特性，本文設(shè)計(jì)了能對(duì)其進(jìn)行剪切作用的預(yù)剪切管，如圖2所示。由于喉部管徑較小，凝膠汽油流經(jīng)預(yù)剪切管時(shí)速度增大，其所受到的剪切力也迅速增大，表觀粘度減小。而且凝膠汽油從流經(jīng)預(yù)剪切管到完成噴射霧化的時(shí)間較短，其表觀粘度的恢復(fù)可以忽略，因而加裝預(yù)剪切管將對(duì)霧化效果產(chǎn)生影響。預(yù)剪切管喉部的直徑D和長(zhǎng)度L分別決定了凝膠汽油所受剪切力的大小和作用時(shí)間，研究這兩個(gè)參量的變化對(duì)凝膠推進(jìn)劑霧化特性的影響是本文的重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)并加工了不同形狀參數(shù)的預(yù)剪切管，其中喉部直徑D分別為2 mm、3 mm和4 mm(兩側(cè)孔徑為7 mm)，長(zhǎng)度L分別為10 mm，20 mm和30 mm。預(yù)剪切管編號(hào)也依據(jù)這兩個(gè)參量標(biāo)記為D*L*形式，例如D2L10表示喉部直徑為2 mm，長(zhǎng)度為10 mm的預(yù)剪切管。

圖2 預(yù)剪切管示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 噴射壓力對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響

為了研究噴射壓力對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響，分別在未加裝預(yù)剪切管和加裝預(yù)剪切管的情況下，對(duì)凝膠汽油霧化后液滴粒徑和速度進(jìn)行測(cè)量。

表1為未加裝預(yù)剪切管和分別加裝D2L10及D3L20的預(yù)剪切管在不同的噴射壓力下的液滴粒徑分布情況。分析相同噴射壓力下的粒徑數(shù)據(jù)可知，加裝預(yù)剪切管后霧化的液滴粒徑的大小明顯小于未加裝預(yù)剪切管的液滴粒徑。這是由于SiO2/汽油凝膠中形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加裝預(yù)剪切管后相當(dāng)于施加了一個(gè)剪切作用，剪切力將整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞成許多網(wǎng)狀顆粒結(jié)構(gòu)，表觀粘度相應(yīng)下降，進(jìn)而導(dǎo)致霧化后液滴粒徑相應(yīng)減小。

表1 霧化后液滴粒徑隨噴射壓力變化

分析表1可知，隨著噴射壓力的增大，液滴粒徑隨之減小：噴射壓力從0.50 MPa增加到0.75 MPa時(shí)，未加裝預(yù)剪切管情形下霧化后液滴粒徑減小了14.8 μm，加裝D2L10預(yù)剪切管的減小了13.5 μm，加裝D3L20預(yù)剪切管的減小18.2 μm；而噴射壓力從0.75 MPa增加到1.25 MPa時(shí)，未加裝預(yù)剪切管情形下的霧化后液滴粒徑減小10.5 μm，加裝D2L10預(yù)剪切管的減小8.8 μm，加裝D3L20預(yù)剪切管的減小6.7 μm。由此可知在較低噴射壓力下，霧化后液滴粒徑大小更易受到壓力變化的影響；當(dāng)噴射壓力逐漸增大，粒徑大小變化趨于平緩。這是因?yàn)殡S著噴射壓力的增大，凝膠汽油剪切速率相應(yīng)增大，表觀粘度減小，則霧化后的液滴粒徑也隨之減小。但文獻(xiàn)[13]表明，剪切速率增大到一定值時(shí)，凝膠汽油表觀粘度減小的趨勢(shì)放緩，因此噴射壓力越大，對(duì)霧化后液滴粒徑的影響也越小。

“文化自信是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族發(fā)展中更基本、更深沉、更持久的力量”，“沒(méi)有高度的文化自信，沒(méi)有文化的繁榮興盛，就沒(méi)有中華民族偉大復(fù)興”。[3]23，41強(qiáng)調(diào)文化自信，符合科學(xué)社會(huì)主義的理論邏輯，深化并拓展中國(guó)特色社會(huì)主義的文化規(guī)定性，不僅涉及意識(shí)形態(tài)、文化形態(tài)和物性載體的統(tǒng)一，而且蘊(yùn)涵著精神信仰、價(jià)值規(guī)范與價(jià)值承諾三個(gè)基本維度的“應(yīng)然”融合。

圖3為在不同噴射壓力下，未加裝預(yù)剪切管和加裝D2L10預(yù)剪切管霧化后液滴速度分布矢量圖。圖中表明在同樣的噴射壓力下，相比于未加裝預(yù)剪切管時(shí)的情形，加裝D2L10預(yù)剪切管的霧化后液滴速度明顯減小，霧化場(chǎng)高速區(qū)域面積減小，說(shuō)明加裝預(yù)剪切管會(huì)造成霧化后液滴速度一定程度上的衰減。這是因?yàn)轭A(yù)剪切管對(duì)凝膠推進(jìn)劑的預(yù)剪切作用雖然降低了表觀粘度，但也造成了能量的損失，使得碰撞時(shí)射流的動(dòng)能減小，液滴速度降低。

圖3 不同條件下霧化后液滴速度分布矢量圖

圖3還表明了噴射壓力對(duì)霧化后液滴速度的影響。隨著噴射壓力的增加，射流撞擊時(shí)的動(dòng)能增大，從圖中可以看出，霧化后液滴的速度增大且霧化場(chǎng)高速區(qū)域的面積增大。

2.2 預(yù)剪切管喉部直徑對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響

預(yù)剪切管喉部直徑D越小，對(duì)凝膠汽油剪切力越大，為了研究其對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響，加裝不同喉部直徑的預(yù)剪切管對(duì)凝膠汽油霧化后液滴粒徑和速度進(jìn)行測(cè)量。

表2是加裝喉部長(zhǎng)度為10 mm和20 mm的預(yù)剪切管霧化后液滴粒徑隨喉部直徑變化的數(shù)據(jù)。隨著喉部直徑的減小，霧化后液滴粒徑也減小。這是因?yàn)楹聿恐睆皆叫?，?duì)液流剪切作用越強(qiáng)。從粒徑數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)又可看出，喉部直徑從4 mm減小到3 mm時(shí)液滴粒徑的降幅明顯小于喉部直徑從3 mm減小到2 mm時(shí)的降幅，表明在喉部直徑較小時(shí)，直徑的變化對(duì)粒徑的影響較大，即在較大剪切力作用下凝膠汽油的表觀粘度才會(huì)有顯著變化。

表2 霧化后液滴粒徑隨喉部直徑變化

當(dāng)預(yù)剪切管喉部直徑從4 mm減小到2 mm時(shí)，兩種情形下的液滴粒徑的絕對(duì)降幅分別為33.1 μm和32.0 μm，相對(duì)降幅分別為21.4%和22.0%，數(shù)值接近，因此對(duì)于不同的喉部長(zhǎng)度，喉部直徑變化對(duì)霧化后液滴粒徑的影響程度幾乎相同。

為了研究預(yù)剪切管喉部直徑對(duì)霧化后液滴速度分布的影響，加裝喉部長(zhǎng)度為20 mm，喉部直徑分別為4 mm，3 mm和2 mm的預(yù)剪切管在噴射壓力為1.00 MPa下進(jìn)行霧化實(shí)驗(yàn)。圖4為加裝不同喉部直徑的預(yù)剪切管霧化后液滴速度分布矢量圖。從圖中可以看出隨著喉部直徑的減小，核心撞擊區(qū)的速度減小，高速區(qū)域的面積減小。預(yù)剪切管喉部直徑從4 mm變化到3 mm時(shí)，液滴速度整體下降比較大，喉部直徑從3 mm變化到2 mm時(shí)，液滴速度只是略有下降。

圖4 霧化后液滴速度分布隨喉部直徑變化

隨著預(yù)剪切管喉部直徑的減小，凝膠汽油受到的流動(dòng)阻力增大，能量損失增加，導(dǎo)致霧化后液滴速度減小。由于喉部直徑從4 mm變化到3 mm時(shí)管道截面積減小約5.5 mm2，喉部直徑從3 mm變化到2 mm時(shí)管道截面積減小3.9 mm2，因此前一個(gè)變化過(guò)程中液滴速度的整體降幅更大。此外喉部截面積與兩側(cè)管道的截面積差值越大越有利于降低凝膠汽油的表觀粘度，從而減小液滴撞擊時(shí)的能量損失，這種補(bǔ)償作用也能減小霧化后液滴速度的降幅。

2.3 預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度對(duì)凝膠汽油霧化特性的影響

表3為加裝喉部直徑為2 mm和3 mm的不同長(zhǎng)度預(yù)剪切管測(cè)得的粒徑變化數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可知，對(duì)于喉部直徑為3 mm時(shí)的數(shù)據(jù)，隨著預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度的增加，霧化后液滴粒徑減小。這是由于隨著喉部長(zhǎng)度的增加，所施加的剪切力作用時(shí)間增長(zhǎng)，表觀粘度降低，霧化后液滴粒徑也隨之減小。但從喉部直徑為2 mm時(shí)的數(shù)據(jù)卻發(fā)現(xiàn)在喉部長(zhǎng)度從20 mm增加到30 mm時(shí)，霧化后液滴的粒徑反而上升了。這說(shuō)明隨著剪切力作用時(shí)間的增加達(dá)到一定值時(shí)，凝膠汽油表觀粘度趨于穩(wěn)定不再明顯降低，而喉部長(zhǎng)度的增加還會(huì)使液流能量損失增加，流速降低，導(dǎo)致霧化時(shí)液滴碰撞破碎的頻率減小，液滴粒徑增大。

表3 霧化后液滴粒徑隨喉部長(zhǎng)度變化

當(dāng)預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度從10 mm增加到20 mm時(shí)，兩種情形下的液滴粒徑絕對(duì)降幅分別為7.8 μm和3.2 μm，相對(duì)降幅分別為6.4%和2.3%?？梢?jiàn)在喉部直徑較小時(shí)改變喉部長(zhǎng)度對(duì)粒徑的影響比較大，這說(shuō)明喉部直徑相比于兩側(cè)孔徑越小，對(duì)凝膠汽油的剪切力越大，此時(shí)改變剪切時(shí)間對(duì)液滴粒徑產(chǎn)生的影響也越大。

為了研究預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度對(duì)霧化后液滴速度分布的影響，加裝喉部直徑為2 mm，喉部長(zhǎng)度分別為10 mm、20 mm和30 mm的預(yù)剪切管在噴射壓力為1.00 MPa下進(jìn)行霧化實(shí)驗(yàn)。圖5為加裝不同喉部長(zhǎng)度的預(yù)剪切管霧化后液滴速度分布矢量圖。由圖可知，隨著預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度的增加，霧化撞擊的核心區(qū)域速度減小，高速區(qū)域的面積減小。喉部長(zhǎng)度從10mm變化到20 mm時(shí)液滴速度稍有下降，而從20 mm變化到30 mm時(shí)液滴速度整體大幅下降。

圖5 霧化后液滴速度分布隨喉部長(zhǎng)度變化

預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度對(duì)霧化后液滴速度的影響可從兩個(gè)方面考慮，隨著預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度增長(zhǎng)，剪切作用的時(shí)間變長(zhǎng)：一方面，液流流經(jīng)喉部時(shí)能量損失增加；另一方面，凝膠汽油表觀粘度下降，液滴撞擊時(shí)的粘滯力減小，能量損失減小。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出，第一方面因素占據(jù)了主導(dǎo)地位，霧化后液滴速度隨喉部長(zhǎng)度的增加總體上呈下降趨勢(shì)。凝膠汽油的表觀粘度下降到一定值時(shí)就趨于平穩(wěn)，因此第二方面因素的補(bǔ)償作用隨著剪切時(shí)間的增長(zhǎng)越來(lái)越不明顯，從而導(dǎo)致隨著喉部長(zhǎng)度增長(zhǎng)，液滴速度的整體降幅也增大。

3 結(jié)論

1)加裝預(yù)剪切管對(duì)于凝膠汽油撞擊式霧化特性的影響包括兩方面：減小液滴粒徑和降低液滴速度。其影響程度與喉部直徑和長(zhǎng)度這兩個(gè)參量有關(guān)，調(diào)節(jié)這兩個(gè)參量，盡可能減小霧化后液滴粒徑，同時(shí)控制液滴速度損失，就能夠改善凝膠汽油霧化效果。

2)減小預(yù)剪切管喉部直徑能夠增大剪切力，增加預(yù)剪切管喉部長(zhǎng)度則能夠增長(zhǎng)剪切作用持續(xù)時(shí)間，這兩種措施都能有效降低凝膠汽油霧化后液滴粒徑，但又一定程度上造成液滴速度的減損。在喉部直徑較小時(shí)，霧化后液滴粒徑降幅和速度衰減都較大；在喉部長(zhǎng)度較小時(shí)，霧化后液滴粒徑降幅較大而速度衰減較小。

3)綜合考慮各影響因素，在本實(shí)驗(yàn)所使用的霧化裝置中，加裝喉部直徑為3～4 mm，喉部長(zhǎng)度為10～20 mm的預(yù)剪切管既能有效減小霧化后液滴的粒徑，又不至于造成液滴速度的大幅削減，最有利于改善凝膠汽油霧化效果。