厚液膜敞口型離心噴嘴動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)

薛帥杰，劉紅軍，洪流，陳鵬飛

1. 西安航天動(dòng)力研究所，西安 710100 2. 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

離心噴嘴不僅被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室液態(tài)推進(jìn)劑的噴注和霧化，并且還能起到調(diào)節(jié)供應(yīng)系統(tǒng)中擾動(dòng)波的作用[1]。在不同的擾動(dòng)頻率下，離心噴嘴可能是擾動(dòng)波的阻尼器，也可能是放大器[2]，離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性影響較大。為抑制供應(yīng)系統(tǒng)中擾動(dòng)對(duì)燃燒室內(nèi)燃燒過程的影響，提高燃燒穩(wěn)定性，有必要認(rèn)識(shí)離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性。補(bǔ)燃循環(huán)液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃室和推力室使用敞口型離心噴嘴(旋流腔直徑和噴口直徑相等)霧化液態(tài)推進(jìn)劑[3]。為使敞口型離心噴嘴成為擾動(dòng)波的阻尼器和相位調(diào)節(jié)器[4-5]，抑制供應(yīng)系統(tǒng)中擾動(dòng)波對(duì)預(yù)燃室或推力室燃燒過程的影響，學(xué)者們對(duì)敞口型離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性開展了大量的理論和試驗(yàn)研究。

離心噴嘴動(dòng)力學(xué)特性研究的重點(diǎn)是噴嘴對(duì)外加擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性[6-7]。俄羅斯學(xué)者Bazarov[1-2,8]首先對(duì)普通離心噴嘴(即收口型離心噴嘴，噴口直徑小于旋流腔直徑)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，建立了分析離心噴嘴動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的線性模型，在較寬的頻率范圍內(nèi)得到了離心噴嘴的頻率響應(yīng)特性。楊立軍等[4-5,9]基于Bazarov的噴嘴動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)比研究了敞口型和收口型離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，理論分析了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)敞口型離心噴嘴頻率響應(yīng)特性的影響，結(jié)果表明敞口型離心噴嘴的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于同類別的收口型噴嘴，其流量相對(duì)振幅比同類別的收口型噴嘴小，且增加敞口型離心噴嘴旋流腔的長(zhǎng)徑比能進(jìn)一步改善噴嘴的頻率響應(yīng)特性。Fu等[10-11]參考Bazarov對(duì)噴嘴動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究方法[12]，通過在供應(yīng)管路中安裝脈動(dòng)發(fā)生裝置研究敞口型離心噴嘴對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)中擾動(dòng)的響應(yīng)特性，試驗(yàn)驗(yàn)證了楊立軍等[4]對(duì)敞口型離心噴嘴動(dòng)力學(xué)特性的理論分析結(jié)果，并重點(diǎn)關(guān)注了噴嘴入口處壓力振蕩與旋流腔內(nèi)液膜厚度振蕩間的相位差，結(jié)果表明相位差隨離心噴嘴特征參數(shù)[13]的增加而增加。Chung等[7]亦使用類似的脈動(dòng)發(fā)生裝置，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)敞口型噴嘴動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的影響，結(jié)果顯示噴嘴出口液膜厚度的振幅正比于供應(yīng)管路中的壓力振蕩幅值，但隨著旋流腔長(zhǎng)度和直徑的增加，液膜厚度振蕩幅值減小，即有利于阻尼供應(yīng)系統(tǒng)中的流量振蕩，噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性變優(yōu)。康忠濤等[14]通過在氣液同軸離心式噴嘴的液路供應(yīng)系統(tǒng)施加壓力擾動(dòng)，研究了壓力振蕩對(duì)氣液同軸離心式噴嘴自激振蕩的影響，結(jié)果表明供應(yīng)系統(tǒng)振蕩會(huì)引起離心噴嘴噴注過程出現(xiàn)Klystron效應(yīng)且會(huì)明顯改變同軸離心式噴嘴的自激振蕩的頻率。

補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室的煤油離心噴嘴是一種旋流腔較長(zhǎng)(長(zhǎng)徑比可能超過10，長(zhǎng)徑比為旋流腔長(zhǎng)度/旋流腔直徑)的敞口型離心噴嘴(如圖1所示)。由于預(yù)燃室室壓高[3]，燃?xì)饷芏却?，噴嘴旋流腔?nèi)煤油旋流時(shí)的動(dòng)量損失大，旋流腔內(nèi)液膜較厚[15-16]。厚液膜噴嘴的靜態(tài)表面波特征與薄液膜差別顯著[15,17]，厚液膜噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性可能與薄液膜噴嘴也存在差別。Fu[10-11]和Chung[7]等均在大氣環(huán)境下使用發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴開展研究，該噴嘴大氣環(huán)境下旋流腔的液膜較薄，噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性可能不同于其在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)的特性，但目前學(xué)者們針對(duì)厚液膜敞口型離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性開展的研究較少。

本文在大氣環(huán)境下使用水作為工作介質(zhì)，通過在供應(yīng)管路上設(shè)置脈動(dòng)發(fā)生裝置對(duì)敞口型離心噴嘴施加一定頻率擾動(dòng)激勵(lì)，研究噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，通過對(duì)比不同液膜厚度噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，分析厚液膜噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性與薄液膜噴嘴的差別，拓展對(duì)敞口型離心噴嘴動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性特征預(yù)示提供參考。

圖1 長(zhǎng)旋流腔敞口型離心噴嘴Fig.1 Open-end swirl injector with long swirl chamber

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)噴嘴

根據(jù)離心噴嘴設(shè)計(jì)方法[13]，通過增加切向孔直徑在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)旋流腔液膜厚度增加。敞口型離心噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)及旋流腔液膜厚度理論值如表1所示。其中，理論液膜厚度依據(jù)敞口型離心噴嘴的設(shè)計(jì)理論[3,13]計(jì)算得到，噴嘴特征參數(shù)K的計(jì)算方法為

K=2Rindc/(idt2)

式中：Rin=(dc-dt)/2，dc為旋流腔直徑；dt為切向孔直徑；i為切向孔數(shù)目。

表1 敞口型離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of open-end swirl injectors

為研究噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)了可測(cè)量噴前壓力脈動(dòng)和觀測(cè)旋流腔內(nèi)流動(dòng)過程的試驗(yàn)件，如圖2所示。

圖2 噴嘴試驗(yàn)件Fig.2 Experimental apparatus with injector

離心噴嘴的部分旋流腔為透明石英玻璃，噴嘴的其余部分為不銹鋼。石英玻璃為矩形，旋流腔位于石英玻璃的中心。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，通過高壓氮?dú)鈹D壓貯箱實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用水供應(yīng)，通過調(diào)節(jié)噴前靜壓改變進(jìn)入噴嘴的水流量。脈動(dòng)發(fā)生器裝置安裝在噴嘴的供應(yīng)管路中。

試驗(yàn)中，通過壓阻型靜壓傳感器測(cè)量噴前靜壓，靜壓傳感器安裝在靠近噴前的供應(yīng)管路上，傳感器采樣頻率為1 000 Hz。通過脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)量噴前壓力脈動(dòng)，脈動(dòng)壓力傳感器安裝在噴前集液腔中心位置(見圖2)，與噴嘴切向孔入口的縱向距離為17 mm，脈動(dòng)壓力傳感器的型號(hào)為Kistler 6052C型，采樣頻率為10 240 Hz。供應(yīng)管路上還設(shè)置科氏力質(zhì)量流量計(jì)(型號(hào)：Micro Motion F050)，用于測(cè)量穩(wěn)態(tài)工況下的水流量。試驗(yàn)中的各類傳感器在試驗(yàn)前均通過檢定，各靜壓傳感器的測(cè)量誤差為±0.008 MPa，質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量誤差為示值的±0.5%。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of experimental system

噴嘴內(nèi)流過程和噴注霧化過程(以下統(tǒng)稱噴注過程)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)特性通過陰影光學(xué)觀測(cè)方法獲得。試驗(yàn)中，使用LED面光源照射噴嘴及其液霧場(chǎng)，通過Phantom V12.1型COMS黑白高速相機(jī)及其鏡頭拍攝噴嘴噴注過程，觀測(cè)方法如圖3所示。高速相機(jī)采樣頻率為3 000 Hz(相鄰兩幀圖像間的時(shí)間間隔為333 μs)，曝光時(shí)間為10 μs，拍攝圖像為8位灰度圖像，圖像分辨率為1 024 pixel ×768 pixel像素，每個(gè)像素表示約0.062 mm ×0.062 mm的區(qū)域。

1.3 脈動(dòng)發(fā)生裝置

脈動(dòng)發(fā)生裝置是實(shí)現(xiàn)噴嘴動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性研究的核心部件之一，結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)及工作原理與文獻(xiàn)[12]中給出的脈動(dòng)發(fā)生裝置類似，通過周期性排水在供應(yīng)管路內(nèi)產(chǎn)生流量和壓力的振蕩。脈動(dòng)發(fā)生裝置內(nèi)設(shè)置圓盤，圓盤上設(shè)置周向均布的小孔，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)周期性排水，通過控制圓盤的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)頻率調(diào)節(jié)。

圖4 脈動(dòng)發(fā)生裝置示意圖Fig.4 Schematic of flow pulsation generator

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴嘴動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性

試驗(yàn)開始時(shí)，脈動(dòng)發(fā)生裝置不工作且其排水口外的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，試驗(yàn)系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)，此時(shí)各噴嘴的工況如表2所示(噴嘴的壓降和流量均為30 s測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均值，旋流腔液膜軸向速度為理論計(jì)算值，計(jì)算方法參見敞口型離心設(shè)計(jì)理論[3,13])，各噴嘴旋流腔液膜的軸向速度接近。

在穩(wěn)態(tài)工況下，通過高速相機(jī)和脈動(dòng)壓力傳感器分別獲得噴嘴的噴注過程和噴前的壓力脈動(dòng)，并將其作為噴嘴非穩(wěn)態(tài)工作過程的對(duì)照。穩(wěn)態(tài)工況下噴嘴的噴注圖像如圖5所示，切向孔較大的噴嘴旋流腔液膜明顯較厚且噴霧角較小。

此后，打開脈動(dòng)發(fā)生裝置排水口外閥門，并微調(diào)貯箱壓力，使噴嘴的噴前壓力(30 s測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均值)與穩(wěn)態(tài)工況保持一致，然后逐步增加脈動(dòng)發(fā)生器的圓盤轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的擾動(dòng)頻率由0 Hz逐步增加至536.7 Hz。在各擾動(dòng)頻率下，待噴前壓力脈動(dòng)保持穩(wěn)定后，脈動(dòng)壓力傳感器和高速相機(jī)分別記錄噴前壓力脈動(dòng)和噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程。圖6給出了不同擾動(dòng)頻率下噴嘴01的噴前壓力脈動(dòng)曲線(圖中：Pp為噴前脈動(dòng)壓力，t為時(shí)間)。噴前壓力脈動(dòng)曲線的信噪比較好，總體來說噴前壓力脈動(dòng)曲線接近正弦曲線。對(duì)不同擾動(dòng)頻率下噴前壓力的脈動(dòng)過程進(jìn)行快速傅里葉(Fast Fourier Transform, FFT)分析，可得其振蕩主頻。噴前壓力脈動(dòng)的主頻與供應(yīng)系統(tǒng)中的擾動(dòng)頻率基本一致。各噴嘴噴前壓力的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示(圖中：橫軸為振蕩主頻fdominant，縱軸為相對(duì)壓力脈動(dòng)“峰峰”值Rp-p，等于壓力脈動(dòng)“峰峰”值/相應(yīng)噴嘴穩(wěn)態(tài)工況的噴注壓降)，可以看出：各噴嘴噴前壓力的頻率響應(yīng)曲線趨勢(shì)及峰值位置基本一致，噴嘴的切向孔越小，頻率響應(yīng)曲線中的峰值就越高；隨著擾動(dòng)頻率增加，各頻率響應(yīng)曲線的峰值雖呈減小趨勢(shì)，但在給定的擾動(dòng)頻率范圍內(nèi)(0～536.7 Hz)，曲線的峰值變化較小。

圖5 噴嘴穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的噴注圖像Fig.5 Injection images of injector for steady state

圖6 不同擾動(dòng)頻率下噴嘴01的噴前壓力脈動(dòng)曲線Fig.6 Dynamic pressure curves before injecting at different disturbance frequencies of Injector 01

圖7 噴前脈動(dòng)壓力的頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Frequency response curves of dynamic pressure before injection

圖8給出了不同擾動(dòng)頻率下噴嘴01在約半個(gè)擾動(dòng)周期內(nèi)的噴注過程。圖9給出了圖8中各圖像在旋流腔位置的局部放大圖。圖8和圖9中，供應(yīng)系統(tǒng)中擾動(dòng)波在噴嘴旋流腔內(nèi)具體表現(xiàn)為液膜厚度及流速的變化。擾動(dòng)頻率較低時(shí)，擾動(dòng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，整個(gè)噴嘴旋流腔內(nèi)的液膜厚度周期性變化(見圖9(a)#2和(a)#3，其氣渦直徑明顯小于圖9(a)#1)，并造成噴霧角周期性變化(見圖8(a))；隨著擾動(dòng)頻率增加，擾動(dòng)波的長(zhǎng)度減短，擾動(dòng)波在旋流腔以局部液膜“縮口”(液膜局部增厚，見圖9(b)#1、(b)#2和圖9(c)#1、(c)#2)的形式出現(xiàn)，且擾動(dòng)波長(zhǎng)越短，液膜“縮口”區(qū)域越小。“縮口”向噴嘴下游傳播，當(dāng)其離開噴嘴后，噴嘴的噴霧角驟減且噴嘴外射流的運(yùn)動(dòng)速度加快(見圖8(b)#3和(c)#3)，該段射流會(huì)逐漸“追趕”上前一刻的射流，在液體表面張力的作用下，霧化液膜出現(xiàn)局部褶皺堆積現(xiàn)象，形成Klystron效應(yīng)[14,18]。在液膜“縮口”位置，液膜增厚，而流體的軸向速度增大且徑向速度減小，即流量增大，液膜“縮口”會(huì)造成噴嘴流量改變?？傮w來說，噴嘴的噴注過程對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)中的擾動(dòng)產(chǎn)生了明顯的響應(yīng)，擾動(dòng)波長(zhǎng)度不同時(shí)，噴嘴內(nèi)流過程和噴霧過程的響應(yīng)尺度均不同。參考文獻(xiàn)[7，11]給出的試驗(yàn)方法，本文使用噴嘴內(nèi)流過程和噴注霧化過程對(duì)外加擾動(dòng)的響應(yīng)來表示噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。

圖8 不同擾動(dòng)頻率下噴嘴01的噴注過程Fig.8 Injection processes of Injector 01 at different disturbance frequencies

圖9 圖8中各圖像在旋流腔位置的局部放大圖Fig.9 Partial enlargement of swirl chamber in images of Fig.8

噴嘴噴注過程的響應(yīng)較復(fù)雜，尤其當(dāng)擾動(dòng)頻率較高時(shí)，旋流腔內(nèi)存在液膜“縮口”且霧化過程存在Klystron效應(yīng)，使用平均液膜厚度或噴霧角等參數(shù)不足以表示噴嘴的響應(yīng)過程，則為定量分析噴注過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，本文通過統(tǒng)計(jì)旋流腔或液霧場(chǎng)局部區(qū)域的圖像亮度隨時(shí)間的變化來反映噴注過程的對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)擾動(dòng)的響應(yīng)。旋流腔局部區(qū)域圖像亮度能反映旋流腔液膜局部厚度的變化，在一定程度上反映噴嘴流量的變化；液霧場(chǎng)局部區(qū)域圖像亮度既能反映噴霧角的變化，也能反映噴霧液膜的局部褶皺。圖像的亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域如圖10所示，亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的高度為5 mm(取值原則：兼顧響應(yīng)曲線信噪比和擾動(dòng)頻率較高時(shí)響應(yīng)過程的分辨)，各噴嘴內(nèi)流過程的亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的下沿距噴嘴出口約12.4 mm(取值原則：盡量靠近噴嘴出口且排除液霧反濺的干擾)，噴注霧化過程的亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的上沿距噴嘴出口約10.2 mm(取值原則：盡量靠近噴嘴出口且Klystron效應(yīng)明顯)。將圖像統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)的亮度值求和并無量綱化，即得該區(qū)域的無量綱亮度隨時(shí)間的變化。亮度無量綱化方法為：無外加擾動(dòng)時(shí)亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的亮度平均值為Iav，聲學(xué)擾動(dòng)過程中亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的亮度為Iimage，則無量綱亮度Ih=(Iimage-Iav)/Iav。

圖11給出了當(dāng)擾動(dòng)頻率為233.4 Hz時(shí)噴嘴01和噴嘴03的內(nèi)流過程和霧化過程對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線(圖中:Ih_film為旋流腔內(nèi)流過程圖像的無量綱亮度，Ih_atom為霧化過程圖像的無量綱亮度)，可以看出，響應(yīng)曲線信噪比較好且周期性明顯，且由于存在擾動(dòng)波的傳遞過程，旋流腔內(nèi)流過程和霧化過程的響應(yīng)曲線存在相位差。

圖10 圖像亮度統(tǒng)計(jì)的區(qū)域Fig.10 Regions for statistics of image brightness

圖11 噴嘴噴注過程的響應(yīng)曲線Fig.11 Response curves of injection processes of injector

圖12 噴注過程與噴前壓力的頻率響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.12 Comparison of response curves of injection processes and dynamic pressure before injection

對(duì)不同擾動(dòng)頻率下的響應(yīng)曲線進(jìn)行FFT分析可得其振蕩主頻。旋流腔內(nèi)流過程與噴注霧化過程的振蕩主頻亦與供應(yīng)系統(tǒng)中的擾動(dòng)頻率基本一致。圖12給出了各噴嘴噴注過程的頻率響應(yīng)曲線與噴前壓力的頻率響應(yīng)曲線的對(duì)比(圖中:Ihp-hp為無量綱亮度“峰峰”值)，可以看出：① 擾動(dòng)頻率較低時(shí)，噴嘴內(nèi)流和霧化過程的頻率響應(yīng)曲線與噴前壓力頻率響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)和峰值位置基本一致，且噴嘴01和噴嘴03的內(nèi)流過程的相對(duì)振蕩峰值接近；② 隨擾動(dòng)頻率增加，噴嘴01噴注過程的響應(yīng)峰值逐漸降低，頻率響應(yīng)曲線趨于平緩，噴嘴03內(nèi)流過程的頻率響應(yīng)曲線與噴前壓力頻率響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)和峰值位置仍基本一致；③ 噴嘴03霧化過程對(duì)外加擾動(dòng)的響應(yīng)始終較弱。

2.2 厚液膜噴嘴動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性

基于湍流輸液管路頻率相關(guān)摩擦模型[19]，以離心噴嘴為負(fù)載，建立脈動(dòng)發(fā)生裝置進(jìn)水口末端(具體位置見圖4)與噴嘴切向孔入口端(即噴嘴的噴前)間的傳遞函數(shù)[20]：

(1)

式中:P′為無量綱壓力頻域脈動(dòng)量；Q′為無量綱體積流量頻域脈動(dòng)量；下標(biāo)e表示脈動(dòng)發(fā)生裝置進(jìn)水口末端，t表示噴嘴切向孔入口；A為管路系統(tǒng)總傳遞矩陣，脈動(dòng)量的無量綱方法為脈動(dòng)量除以相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值。根據(jù)式(1)，有

(2)

式中：Z為供應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)載?；贐azarov的離心噴嘴動(dòng)力學(xué)理論[1]，有

(3)

式中：Rmk為噴嘴旋流腔頂部的氣渦半徑，ΠT、Πk2、Πk3分別為噴嘴切向孔、旋流腔表面波、旋流腔渦波的傳遞函數(shù)。根據(jù)式(2)和式(3)可計(jì)算得到各噴嘴噴前壓力的幅頻響應(yīng)特性，如圖13所示(圖中f為頻率)，在圖中曲線的峰值位置，管路系統(tǒng)出現(xiàn)諧振[19-20]。

圖13 噴前壓力的幅頻響應(yīng)特性Fig.13 Amplitude-frequency response characteristics of pressure before injection

對(duì)比圖7和圖13可以看出，噴前壓力幅頻響應(yīng)特性的計(jì)算結(jié)果(見圖13)，尤其對(duì)噴嘴01和噴嘴02，與試驗(yàn)結(jié)果(見圖7)吻合較好(曲線的變化趨勢(shì)及其峰值頻率均吻合較好)，說明噴前壓力幅頻響應(yīng)特性的分析方法合理。圖13中噴前壓力振蕩的諧振頻率(圖13中曲線峰值位置的頻率)由供應(yīng)系統(tǒng)的聲學(xué)特性決定[21]，壓力振蕩的諧振峰值(圖13中曲線的峰值)主要由脈動(dòng)發(fā)生裝置穩(wěn)態(tài)流量和噴嘴穩(wěn)態(tài)流量的比值(即脈動(dòng)發(fā)生裝置的擾動(dòng)強(qiáng)度)決定，受噴嘴的頻率響應(yīng)特性影響的較弱。由于脈動(dòng)發(fā)生裝置供應(yīng)管路與其進(jìn)水口末端間的流阻較小，當(dāng)噴嘴的流阻較大(切向孔較小的噴嘴)時(shí)，脈動(dòng)發(fā)生裝置分流較多，擾動(dòng)強(qiáng)度較大，管路系統(tǒng)諧振峰值較高?？傮w來說，本文中噴前壓力的脈動(dòng)過程受噴嘴的頻率響應(yīng)特性的影響較小，可以認(rèn)為噴前壓力的脈動(dòng)對(duì)噴嘴的噴注過程產(chǎn)生了單向擾動(dòng)。則圖12中，對(duì)于噴嘴01，當(dāng)擾動(dòng)頻率較低時(shí)，較大的噴前壓力脈動(dòng)能造成噴注過程較大的響應(yīng)，但當(dāng)擾動(dòng)頻率較高時(shí)，噴注過程在管路系統(tǒng)諧振峰值位置的響應(yīng)衰減，即隨著擾動(dòng)頻率的升高，噴嘴01對(duì)擾動(dòng)波的耗散作用增強(qiáng)；對(duì)于噴嘴03，較大的噴前壓力脈動(dòng)始終能造成較大的內(nèi)流過程響應(yīng)，當(dāng)擾動(dòng)頻率較高時(shí)響應(yīng)曲線的衰減較弱；噴嘴03的霧化過程的響應(yīng)始終較弱，這可能是由于噴嘴03的旋流腔液膜較厚，導(dǎo)致其霧化液膜較厚，霧化過程對(duì)外加擾動(dòng)不敏感。

對(duì)于敞口型離心噴嘴，擾動(dòng)波在噴嘴內(nèi)的傳播經(jīng)過兩個(gè)部分：切向孔和旋流腔。為分析切向孔對(duì)擾動(dòng)波的傳遞作用，以旋流腔為負(fù)載，建立切向孔入口與出口間的傳遞函數(shù)(噴嘴01～03的切向孔長(zhǎng)徑比分別為5.4、3.1和2.0，可視切向孔為具有一定長(zhǎng)度的節(jié)流孔，切向孔兩端流量振蕩的幅值相等[2,4])：

(4)

式中:T為切向孔傳遞矩陣，下標(biāo)s表示旋流腔。根據(jù)式(4)，有

(5)

式中:Zs為旋流腔負(fù)載。基于Bazarov的離心噴嘴動(dòng)力學(xué)理論[21]，有

(6)

圖14 切向孔的幅頻響應(yīng)特性Fig.14 Amplitude-frequency response characteristics of tangential orifices

3 結(jié) 論

為獲得敞口型離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，在大氣環(huán)境下，在供應(yīng)管路上設(shè)置脈動(dòng)發(fā)生裝置對(duì)離心噴嘴施加頻率可控的擾動(dòng)，通過脈動(dòng)壓力傳感器獲得噴前壓力的振蕩特性，使用高速相機(jī)獲得旋流腔內(nèi)流過程和噴注霧化過程對(duì)外加擾動(dòng)的響應(yīng)特性。通過對(duì)比不同液膜厚度離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，分析了厚液膜噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性。本文研究表明：

1) 供應(yīng)系統(tǒng)中存在一定頻率的擾動(dòng)時(shí)，噴前壓力、旋流腔內(nèi)流過程和噴注霧化過程的響應(yīng)頻率與擾動(dòng)頻率基本一致。

2) 隨著擾動(dòng)頻率的增加，擾動(dòng)波長(zhǎng)減短，旋流腔內(nèi)流過程的響應(yīng)由液膜厚度統(tǒng)一改變變化為局部液膜“縮口”，噴注霧化過程的響應(yīng)由噴霧角周期性改變變化為具有Klystron效應(yīng)的噴霧過程。

3) 當(dāng)擾動(dòng)波較長(zhǎng)時(shí)，薄液膜噴嘴和厚液膜噴嘴的旋流腔內(nèi)流過程對(duì)擾動(dòng)波的響應(yīng)特性差別不大；當(dāng)擾動(dòng)波較短時(shí)，相較于薄液膜噴嘴，厚液膜噴嘴旋流腔內(nèi)流過程對(duì)擾動(dòng)波的耗散作用較弱。

4) 厚液膜噴嘴噴注霧化過程對(duì)外加擾動(dòng)不敏感。

下一步將對(duì)離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程開展詳細(xì)的數(shù)值仿真研究，分析和驗(yàn)證旋流腔內(nèi)流過程對(duì)擾動(dòng)波的耗散特性，為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室煤油離心噴嘴的動(dòng)力學(xué)特性分析與建模提供參考。