反壓對(duì)收口型離心噴嘴液膜厚度的影響

高琦翔,孫 虎,王煥燃,楊立軍,富慶飛

(1. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191;2.西安航天動(dòng)力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

離心噴嘴因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有良好的霧化性能,而被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)等熱力設(shè)備上[1]。其主要利用切向入口在旋流室中產(chǎn)生圓周流,并通過(guò)旋流室收斂部分加速將流動(dòng)介質(zhì)從噴口排出,經(jīng)流體動(dòng)力不穩(wěn)定性液膜逐漸變薄最終分解成液滴[2]。離心噴嘴因其流動(dòng)介質(zhì)圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力,導(dǎo)致了噴口內(nèi)液膜的形成,其厚度是控制噴口出口液膜發(fā)展和霧化過(guò)程的關(guān)鍵因素之一[3-4]。

為了更清楚地揭示離心噴嘴噴注和霧化間的基本機(jī)理,人們進(jìn)行了許多研究來(lái)測(cè)量離心噴嘴內(nèi)的液膜厚度,并發(fā)展了多種測(cè)量技術(shù),其中主要使用了電導(dǎo)法和直接攝影法[5]。Jeng等利用流動(dòng)可視化技術(shù)測(cè)量了大尺寸噴注器孔板內(nèi)部的液膜厚度,以驗(yàn)證計(jì)算和數(shù)值模擬[6]。Moon等使用攝影技術(shù)測(cè)量了較高噴注壓降下離心噴嘴內(nèi)的液膜厚度,并根據(jù)幾何光學(xué)估計(jì)和校正液膜厚度測(cè)量中的誤差[3]。Suyari等利用位于放電孔中的兩個(gè)電極之間的電導(dǎo)測(cè)量了兩個(gè)電極之間流動(dòng)路徑中的平均液膜厚度[5]。Inamura等用接觸探針測(cè)量了離心噴嘴噴口處的液膜厚度[7]。Bazarov使用兩個(gè)嵌裝在噴嘴壁上的環(huán)形電極測(cè)量了噴口內(nèi)的液膜厚度[8]。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和分析研究,總結(jié)了許多預(yù)測(cè)液膜厚度的經(jīng)驗(yàn)公式。Simmons等推導(dǎo)了考慮噴嘴尺寸和噴霧錐角的收口型離心噴嘴液膜厚度的簡(jiǎn)單方程[9]。Rizk推導(dǎo)了液膜厚度作為噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸、液體性質(zhì)和噴注壓降函數(shù)的理論表達(dá)式,并與文獻(xiàn)中報(bào)告的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果非常吻合[10]。然后,Suyari等通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修改了方程的系數(shù)[5]。Kim等通過(guò)精確測(cè)量檢驗(yàn)了液膜厚度與噴口長(zhǎng)度的關(guān)系,并通過(guò)在現(xiàn)有理論方程中加入孔口長(zhǎng)度項(xiàng),給出了液膜厚度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[11]。Schmidt等通過(guò)利用噴嘴噴口處出口速度的相關(guān)性和與離心噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸、液體性質(zhì)和噴注壓降有關(guān)的函數(shù),定義了液膜厚度[12]。文獻(xiàn)[13-14]分別以水和凝膠為介質(zhì)測(cè)量了敞口型離心噴嘴噴口內(nèi)液膜厚度,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正了相應(yīng)的液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式。雖然大多數(shù)液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式與大氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理匹配,但它們?cè)诟叻磯簵l件下的適用性并未得到驗(yàn)證。在實(shí)際應(yīng)用中,液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室處于高反壓狀態(tài),而高反壓條件下的噴霧特性與大氣條件下的噴霧特性有很大不同[15-17]。因此,迫切需要研究不同反壓環(huán)境對(duì)液膜厚度的影響,并確定一個(gè)新的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算液膜厚度。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)由工作介質(zhì)供給系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)、液膜厚度測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。高壓氮?dú)庥糜跀D壓儲(chǔ)罐中的介質(zhì),迫使供給液通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入主管路。為了提供不同的環(huán)境壓力,設(shè)計(jì)制造了如圖2所示的高壓艙。高壓艙由304不銹鋼制成,高度546 mm,內(nèi)徑154 mm,通過(guò)使用另一條氮?dú)夤┙o管路進(jìn)行充壓,最高可以提供3 MPa的環(huán)境背壓,背壓波動(dòng)范圍在5%以內(nèi),且具有帶氣體吹掃功能的3方向光學(xué)觀察窗口;底部裝有閥門(mén),便于調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力。管路來(lái)流經(jīng)模型噴嘴(見(jiàn)圖3,結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1)在高壓艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴注霧化。位于高壓艙頂部的壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),測(cè)量范圍為0～4 MPa,精度可達(dá)0.5%。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用江蘇東華校準(zhǔn)測(cè)試有限公司的DH5922D動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng),系統(tǒng)采樣頻率可達(dá)256 K,可同時(shí)對(duì)16路信號(hào)實(shí)時(shí)采集。

表1 實(shí)驗(yàn)離心噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Geometry of experimental injector

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of the experimental system

圖3 離心噴嘴結(jié)構(gòu)及電導(dǎo)法示意圖Fig.3 Schematic of the conductance method and the swirl injector

采用電導(dǎo)測(cè)量法測(cè)量噴口處液膜厚度,兩個(gè)環(huán)形電極安裝在離心噴嘴出口附近,如圖3所示,根據(jù)電導(dǎo)的定義,當(dāng)噴注介質(zhì)在兩個(gè)電極之間流動(dòng)時(shí),由于液膜厚度的變化,兩個(gè)電極之間的電阻Rring變化可表示為

Rring=ρL/S

(1)

式中:ρ為環(huán)形液膜電阻率;L為環(huán)形液柱長(zhǎng)度;S為液柱的環(huán)形截面積,其可表示為

S=π[r2-(r-h)2]

(2)

式中:r表示噴口出口半徑;h為液膜厚度。

將式(2)代入式(1)中,便可得到液膜厚度與液柱電阻的關(guān)系為

(3)

因此,可通過(guò)測(cè)量液體電阻來(lái)獲得液膜厚度值。

為了校準(zhǔn)液膜測(cè)量系統(tǒng),在旋流室的軸線上插入不同直徑(φ1～1.8 mm,每隔0.05 mm取一根)的陶瓷針規(guī)。將上游閥門(mén)適當(dāng)開(kāi)啟,以保證噴注壓降不會(huì)使產(chǎn)生的氣核直徑大于陶瓷針規(guī),當(dāng)噴注介質(zhì)在不同尺寸校準(zhǔn)棒與噴口壁之間填充時(shí),產(chǎn)生不同厚度的液膜,對(duì)應(yīng)輸出不同電壓信號(hào)值,如圖4所示。

圖4 液膜厚度實(shí)測(cè)值及其標(biāo)定曲線Fig.4 Measurement value of liquid film thickness and calibration curve

采用電導(dǎo)法測(cè)量液膜厚度的方法存在若干不確定度。首先,在標(biāo)定液膜厚度時(shí)采用了陶瓷針規(guī)作為標(biāo)定棒,該標(biāo)定棒的加工本身存在一定誤差,其加工公差為0.001 mm,假設(shè)其誤差服從正態(tài)分布;不確定度的另一個(gè)來(lái)源為測(cè)試環(huán)境的變化,如測(cè)試介質(zhì)電導(dǎo)率的變化等,為了減小該類不確定度,本實(shí)驗(yàn)測(cè)試介質(zhì)采用自行調(diào)配的鹽水溶液(10 L蒸餾水加1 g鹽)進(jìn)行實(shí)驗(yàn);另一個(gè)不太重要的不確定度引入源于該種方法本身,其所測(cè)液膜厚度實(shí)際為兩電極間平均液膜厚度,由于兩電極間距離遠(yuǎn)小于表面波波長(zhǎng),因此可認(rèn)為電極間液膜厚度為常數(shù)。測(cè)量的不確定度可分為A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)被觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)定,主要由測(cè)量重復(fù)性引起,即為多次測(cè)量所得液膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)差;B類不確定度一般先確定影響量引起被觀測(cè)值變化的范圍,即標(biāo)定棒、環(huán)境因素等不確定度來(lái)源的置信區(qū)間寬度,再與置信系數(shù)相除便可求得。由表2可以看出,測(cè)量液膜厚度的合成不確定度為0.017 mm,符合一般傳感器要求。

表2 液膜厚度測(cè)量不確定度Tab.2 The uncertainty of film thickness measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在不同反壓環(huán)境、不同噴注壓降下,對(duì)實(shí)驗(yàn)用離心噴嘴進(jìn)行霧化實(shí)驗(yàn),其在不同反壓下的噴注照片如圖5所示。利用電導(dǎo)法對(duì)實(shí)驗(yàn)所用離心噴嘴液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著噴注壓降的提高,離心噴嘴內(nèi)液膜厚度呈減小的趨勢(shì),與文獻(xiàn)[5、10-11]的研究結(jié)果一致:液膜厚度與壓降呈現(xiàn)出h～Δp-0.25的數(shù)量關(guān)系,表明壓降和液膜厚度呈負(fù)相關(guān)。隨著環(huán)境壓力的升高,液膜厚度也隨之變大,與文獻(xiàn)[18-20]中的結(jié)果一致。環(huán)境壓力的升高導(dǎo)致了氣體密度的增加,氣液密度比的增加使得角動(dòng)量損失系數(shù)減小,水利損失系數(shù)增加,進(jìn)而使流量系數(shù)變大,液膜變厚[19]。在壓降一定的情況下,氣液界面摩擦加劇,導(dǎo)致液體速度的降低,在保證相同質(zhì)量流率的情況下,為了抵消氣液界面減小的平均軸向速度,促使液膜變厚。

圖5 不同反壓下的噴霧圖像Fig.5 Spray images under different backpressure

前人對(duì)離心噴嘴液膜厚度的研究多集中于常壓環(huán)境下,Rizk等推導(dǎo)了液膜厚度作為噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸、液體性質(zhì)和噴注壓降函數(shù)的理論表達(dá)式[10],之后Suyari等通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其表達(dá)式系數(shù)進(jìn)行了修正[5],Kim等通過(guò)在現(xiàn)有理論方程中加入孔口長(zhǎng)度項(xiàng),得出了液膜厚度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[11]。為驗(yàn)證所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,故選取反壓0.1 MPa(常壓環(huán)境),不同噴注壓降下測(cè)得的液膜厚度實(shí)驗(yàn)值,與前人所得液膜厚度公式比較(見(jiàn)圖7),結(jié)果表明:基于該電導(dǎo)法測(cè)量的收口型離心噴嘴液膜厚度與文獻(xiàn)[5]所得液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好。

圖7 實(shí)驗(yàn)所測(cè)液膜厚度與液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式估算值對(duì)比Fig.7 Comparison between measured liquid film thickness and estimated liquid film thickness from others

然而,這些液膜厚度公式均未考慮反壓的影響,圖6的結(jié)果表明反壓的增加會(huì)導(dǎo)致液膜厚度的增加,因此,通過(guò)在現(xiàn)有液膜厚度理論方程[10]的基礎(chǔ)上,引入反壓的影響,并對(duì)常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修正,導(dǎo)出一個(gè)新的液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式,即

(4)

式中:p表示反壓;po代表常壓。

圖8顯示了液膜厚度測(cè)量結(jié)果與式(4)估算值的比較,可以看出測(cè)量結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式估算出的液膜厚度誤差非常小。

圖8 實(shí)驗(yàn)所測(cè)液膜厚度與新液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式估算值對(duì)比Fig.8 Comparison between measured liquid film thickness and estimated liquid film thickness from new equation

3 結(jié)論

本文通過(guò)搭建反壓環(huán)境下離心噴嘴噴注系統(tǒng),利用電導(dǎo)法對(duì)收口型離心噴嘴液膜厚度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量所得液膜厚度不確定度為0.017 mm。通過(guò)高壓艙改變環(huán)境壓強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了不同反壓環(huán)境下對(duì)收口型離心噴嘴液膜厚度的影響研究,研究發(fā)現(xiàn):

1)隨著噴注壓降的升高,收口型離心噴嘴內(nèi)液膜厚度呈變薄趨勢(shì)。

2)環(huán)境壓力的升高,導(dǎo)致了氣體密度的增加,使得噴口內(nèi)空氣渦與液膜界面處的剪切效果增強(qiáng),導(dǎo)致了液體速度下降,在相同質(zhì)量流率的情況下,促使液膜厚度變厚。

3)通過(guò)在文獻(xiàn)[10]液膜厚度理論方程的基礎(chǔ)上,引入反壓項(xiàng),并對(duì)常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修正,提出一個(gè)新的液膜厚度經(jīng)驗(yàn)公式。