氣液同軸敞口型離心噴嘴的自激振蕩特性實(shí)驗(yàn)

馬 杰，王 勇，劉占一，楊尚榮，周立新

(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，西安，710100)

氣液同軸離心式噴嘴具有霧化效果好、摻混均勻性高和燃燒穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空航天推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)中[1]，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的試驗(yàn)與仿真研究[2-4]。在液相中心式氣液同軸離心噴嘴工作過(guò)程中，氣相與液相之間相互剪切作用的時(shí)滯反饋可能會(huì)引起壓力和流量振蕩，產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象[5]。噴嘴的自激振蕩將影響推進(jìn)劑霧化燃燒過(guò)程，進(jìn)而可能誘發(fā)高頻不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

在氣液同軸噴嘴自激振蕩生成機(jī)理研究方面，Bazarov[6-7]提出了分析自激振蕩分布的線性理論模型，計(jì)算的自激振蕩分布區(qū)域與試驗(yàn)結(jié)果一致。Huang等[8-9]建立了噴嘴共振聲學(xué)模型，認(rèn)為自激振蕩產(chǎn)生機(jī)理是噴嘴環(huán)形通道中氣流的固有頻率與液體噴嘴氣渦的固有頻率耦合產(chǎn)生共振。Kim等[10]認(rèn)為自激振蕩是由射流上的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定造成的。Im等[11]認(rèn)為噴嘴自激振蕩取決于液膜上的占優(yōu)表面波。Chad等[12]通過(guò)對(duì)無(wú)縮進(jìn)中心液相的氣液同軸離心噴嘴出口附近的紋影圖像分析，認(rèn)為液膜表面的K-H不穩(wěn)定可能是引起自激振蕩的直接原因，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)如果噴嘴自激振蕩與燃燒室聲學(xué)特征耦合則會(huì)產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定性[13]。

針對(duì)同軸離心噴嘴自激振蕩特性，Sasaki等[14]研究了噴嘴縮進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)霧化特性影響，在帶有縮進(jìn)的噴嘴中可能會(huì)出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。Im等[15-16]研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)氣液同軸離心噴嘴自激振蕩的影響，氣相動(dòng)量和縮進(jìn)激勵(lì)自激振蕩生成，而液相動(dòng)量和噴嘴間隙則抑制振蕩；在背壓條件下，高壓環(huán)境會(huì)顯著影響液膜占優(yōu)表面波，進(jìn)而抑制自激振蕩[17]，而液相動(dòng)量對(duì)自激振蕩影響變小[18]?？抵覞萚19]分析了大的氣核尺寸對(duì)氣液同軸離心式噴嘴自激振蕩噴霧形態(tài)的影響，認(rèn)為氣核尺寸對(duì)自激振蕩的產(chǎn)生機(jī)理有顯著影響，同時(shí)研究了噴前壓力擾動(dòng)對(duì)噴嘴自激振蕩特性的耦合規(guī)律[20-21]。Chad等[22]研究了同軸離心噴嘴自激振蕩的工作條件，認(rèn)為液體剝離過(guò)程在自激振蕩機(jī)理中起到重要作用，縮進(jìn)使噴嘴液相表面更容易形成強(qiáng)烈周期性表面波，在噴嘴出口容易剝離，激發(fā)流量和壓力的振蕩。

針對(duì)同軸剪切噴嘴自激振蕩特性，Yoshio等[23-24]研究了氣液同軸剪切噴嘴的自激振蕩特性，自激振蕩時(shí)，噴嘴流動(dòng)產(chǎn)生“壅塞”。Yoon等[25-26]研究了噴注參數(shù)和縮進(jìn)對(duì)同軸剪切噴嘴自激振蕩特性影響，自激振蕩時(shí)，霧化角較大增大，自激振蕩頻率和雷諾數(shù)呈正比，和縮進(jìn)長(zhǎng)度呈反比。Chung等[27]發(fā)現(xiàn)了氣液同軸剪切噴嘴的3種不穩(wěn)定霧化模式，每種模式的霧場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同，獲得了霧化不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化圖。關(guān)于同軸剪切噴嘴燃燒不穩(wěn)定性，丁兆波等[28]研究了氫、氧同軸直流式噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響，提高氧噴嘴出口壁厚能夠顯著改善燃燒穩(wěn)定性。田原等[29]研究了同軸剪切噴嘴高頻噴注耦合燃燒不穩(wěn)定性，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)氧噴嘴聲學(xué)頻率的影響。

根據(jù)目前研究成果，同軸噴嘴自激振蕩特性研究工作主要圍繞冷態(tài)模擬試驗(yàn)，集中于自激振蕩影響因素和自激振蕩機(jī)理分析。噴嘴結(jié)構(gòu)主要圍繞中心液的同軸收口型離心式噴嘴和中心氣的同軸剪切噴嘴，研究以縮尺件、小流量工況為主，而關(guān)于同軸敞口型離心式噴嘴自激振蕩特性和邊界條件尚未開(kāi)展研究。本文針對(duì)液氧/氣氫同軸敞口型離心噴嘴開(kāi)展自激振蕩特性研究，明晰噴嘴自激振蕩生成過(guò)程，獲得自激振蕩影響變化規(guī)律及大范圍變工況的穩(wěn)定性工作邊界。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 噴嘴介紹

實(shí)驗(yàn)采用大流量液氧/氣氫同軸離心式噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)噴嘴為敞口型離心式噴嘴，由8個(gè)直徑為1.5 mm的切向孔沿周向呈45°分兩排布置，液體通過(guò)切向孔實(shí)現(xiàn)旋流運(yùn)動(dòng)。內(nèi)噴嘴出口直徑為7.0 mm，外側(cè)直徑為8.0 mm。氣體噴嘴為離心式噴嘴外圍的軸向環(huán)縫，氣體由12個(gè)直徑為1.5 mm徑向孔進(jìn)入噴前集氣腔，噴嘴出口直徑為9.1 mm，縮進(jìn)長(zhǎng)度6.6 mm。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)

以空氣和水作為介質(zhì)模擬氣液同軸噴嘴工作特性時(shí)，為反映真實(shí)介質(zhì)氫氣和液氧工作性能，分別通過(guò)調(diào)整噴嘴流量和壓降使得模擬介質(zhì)與真實(shí)氫、氧介質(zhì)噴注的動(dòng)量比、雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)等無(wú)量綱相似參數(shù)相同。

(1)

(2)

表1列出了液氧/氣氫同軸敞口型離心噴嘴大范圍變比調(diào)節(jié)的模擬試驗(yàn)工況，水流量0.07～0.7 kg/s、空氣流量0.002～0.03 kg/s，雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)通過(guò)上述公式確定。

表1 模擬試驗(yàn)工況

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括氣、液路供應(yīng)系統(tǒng)，高速攝像系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)壓力和聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。氣、液路供應(yīng)系統(tǒng)給氣液同軸離心式噴嘴提供試驗(yàn)用水和空氣，在管路系統(tǒng)中分別設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥和科氏力質(zhì)量流量計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)空氣和水流量的控制和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置集氣腔和集液腔分別布置噴前緩變壓力測(cè)點(diǎn)，在空氣和水入口上游10 cm附近管路處設(shè)置動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量接口。高速攝像系統(tǒng)由LED強(qiáng)光燈和Phantom V640高速CCD相機(jī)組成，采集噴嘴下游霧場(chǎng)變化陰影圖像。動(dòng)態(tài)壓力和聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓力傳感器、聲學(xué)傳感器、OROS采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。采用Kistler 6052C型動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)噴嘴噴前壓力振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采樣率51.2 kHz。4947型聲學(xué)傳感器對(duì)噴嘴自激振蕩時(shí)的“嘯叫”聲壓進(jìn)行采集，靈敏度11.6 mV/Pa，采樣率51.2 kHz。

1.3 圖像處理方法

實(shí)驗(yàn)噴嘴下游霧場(chǎng)測(cè)量采用高速攝像系統(tǒng)，圖像分辨率為512×600，覆含噴嘴出口下游高度80 mm區(qū)域，幀頻為13 002 Hz，曝光時(shí)間20 μs。通過(guò)高速攝像捕獲得到氣液同軸敞口離心噴嘴自激振蕩時(shí)典型霧場(chǎng)形態(tài)如圖2所示。處理高速攝像捕獲的霧場(chǎng)圖像時(shí)，在1.07 s時(shí)間內(nèi)高速攝像采集的13 909張圖上選擇大小相同的固定區(qū)域，計(jì)算出平均灰度值，按時(shí)間順序?qū)D像集進(jìn)行灰度FFT分析，得到噴嘴下游霧場(chǎng)頻域特性，如圖3所示。

圖2 離心噴嘴自激振蕩時(shí)典型霧場(chǎng)形態(tài)

圖3 噴嘴下游霧場(chǎng)頻域特性

頻譜結(jié)果的灰度幅值表征圖像的明暗程度，其結(jié)果可以定性表示霧場(chǎng)稠密的程度，因氣液同軸離心噴嘴的實(shí)驗(yàn)工況范圍較大，存在霧場(chǎng)比較濃密的情形，灰度有可能都達(dá)到下限零值。在圖2中霧場(chǎng)邊區(qū)選擇6個(gè)不同灰度統(tǒng)計(jì)位置區(qū)域進(jìn)行FFT分析，如圖4所示，不同取樣區(qū)域處理得到的霧場(chǎng)自激振蕩頻率均為4 670.7 Hz。同時(shí)，在噴嘴自激振蕩穩(wěn)定性判斷時(shí)，通過(guò)霧場(chǎng)圖像、動(dòng)態(tài)壓力和聲壓3種數(shù)據(jù)頻域特性綜合判定是否產(chǎn)生自激振蕩。

圖4 不同采樣區(qū)域自激振蕩頻率

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自激振蕩過(guò)程描述

圖5是氣液同軸離心噴嘴未加空氣時(shí)，即敞口離心式內(nèi)噴嘴單獨(dú)工作，不同水流量條件下的霧場(chǎng)圖像。在水流量較小時(shí)，噴嘴未見(jiàn)霧化，呈現(xiàn)液膜狀態(tài)，此時(shí)的霧化角度為45°。隨著水流量的增加，噴嘴出口液膜的表面波逐步減小、周期增大，液膜在波峰與波谷處斷裂形成液絲，進(jìn)而在空氣環(huán)境氣動(dòng)力作用下發(fā)展為液滴，霧場(chǎng)以液膜和稠密大顆粒液滴為主。在水流量自300 g/s逐步增加時(shí)，離心式噴嘴液膜充分發(fā)展，離心式噴嘴產(chǎn)生的錐形液膜在縮進(jìn)室內(nèi)部撞擊環(huán)縫壁面，霧化角度維持在約54°，與收口式同軸雙旋流內(nèi)噴嘴單獨(dú)工作時(shí)霧化錐角隨噴射壓力變化結(jié)果一致[30]。

圖5 不同水流量條件下的霧場(chǎng)圖像

圖6是同軸離心噴嘴空氣流量14.7 g/s、水流量402.8 g/s工況時(shí)，噴嘴下游不同時(shí)刻的霧場(chǎng)變化圖像，霧場(chǎng)呈現(xiàn)出“鐘型”結(jié)構(gòu)。從霧場(chǎng)轉(zhuǎn)化圖中可以看出，在0 ms時(shí)，噴嘴出口處?kù)F場(chǎng)保持圓柱形，兩側(cè)為向上卷吸的多層霧團(tuán)；0.076 9 ms時(shí)，霧團(tuán)向下移動(dòng)發(fā)展，同時(shí)圓柱形霧場(chǎng)形成徑向凸起，逐步堆積增大；至0.153 8 ms時(shí)，凸起發(fā)展為霧團(tuán)，此時(shí)液相對(duì)氣相的阻塞繼續(xù)加強(qiáng)，氣相噴注壓力增大；0.230 7 ms時(shí)，氣相克服液相的阻塞而釋放，在氣動(dòng)力作用下吹除霧團(tuán)整體向下移動(dòng)，并向上卷吸，恢復(fù)至與0 ms相似的霧場(chǎng)，完成一個(gè)周期自激振蕩過(guò)程。此時(shí)霧場(chǎng)變化頻率約為4 334.6 Hz，與霧場(chǎng)頻譜分析得到的4 670.7 Hz接近。

圖6 噴嘴下游不同時(shí)刻的霧場(chǎng)變化圖像

氣液同軸敞口型離心噴嘴產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象時(shí)，噴嘴上游氣相和液相瞬態(tài)壓力均形成周期性脈動(dòng)，且噴嘴發(fā)出“嘯叫”聲。圖6典型工況自激振蕩時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如圖7所示，包括噴嘴上游壓力脈動(dòng)、噪音脈動(dòng)和霧場(chǎng)圖像的時(shí)域和頻譜分析結(jié)果，三者頻率高度一致，其中液相動(dòng)態(tài)壓力和聲壓相位基本同步，而氣相動(dòng)態(tài)壓力相位超前或滯后于前者。此時(shí)中心敞口型離心噴嘴上游平均絕壓為1.0 MPa，壓力脈動(dòng)振幅約為總壓的±6.2%；而外側(cè)氣噴嘴由于氣體可壓縮性和能量耗散，致使脈動(dòng)壓力幅值較小，僅為總壓的±1.5%左右。噴嘴產(chǎn)生自激振蕩時(shí)，振蕩特性向上游管路傳播時(shí)，對(duì)液體供應(yīng)管路的影響相對(duì)高于氣體管路。

(a)噴油器上游瞬態(tài)壓力和聲壓

(b)瞬態(tài)壓力和噴射模式的頻率

2.2 噴嘴流量特性

文獻(xiàn)[19]認(rèn)為氣液同軸噴嘴在自激振蕩發(fā)生時(shí)，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)從非壅塞變?yōu)檑杖Ｒ虼?，針?duì)同軸敞口型離心噴嘴的噴前緩變壓力和質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。圖8是氣液同軸敞口型離心噴嘴大范圍變工況時(shí)的流量特性曲線，涵蓋表1中同軸噴嘴所有試驗(yàn)工況，霧場(chǎng)存在自激振蕩現(xiàn)象和穩(wěn)定兩種工作模式。圖8(a)表示固定氣相流量、改變液相流量時(shí)的流量特性曲線，圖8(b)表示固定液相流量、改變氣相流量時(shí)的流量特性曲線。在氣相流量不變時(shí)，隨著液相流量的增大，液相壓力呈指數(shù)增長(zhǎng)，氣相噴前壓力隨之增大；在液相流量不變時(shí)，隨著氣相流量增大，液相噴前壓力也增大。通過(guò)對(duì)比可以看出，液相流量變化引起的氣相壓力增長(zhǎng)率相對(duì)大于氣相流量變化時(shí)的液相壓力增長(zhǎng)率。因此，氣液同軸離心噴嘴工作時(shí)，始終存在由于氣、液相相互作用引起的噴前壓力變化，與是否自激振蕩發(fā)生時(shí)所引起的噴嘴“壅塞”[19]無(wú)明顯關(guān)系。同時(shí)，由于噴嘴氣、液之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，難以獲取較為準(zhǔn)確的混合點(diǎn)壓力參數(shù)和敞口離心式噴嘴實(shí)際性能參數(shù)，且噴嘴壅塞造成了氣體與液膜速度計(jì)算的不確定性，因此使用氣相和液相質(zhì)量流量作為噴嘴自激振蕩發(fā)生條件來(lái)衡量。

(a)固定氣相流量、改變液相流量時(shí)的流量特性曲線

(b)固定液相流量、改變氣相流量時(shí)的流量特性曲線

2.3 氣液比對(duì)自激振蕩特性的影響

圖9是固定氣相流量5 g/s時(shí)，逐漸增大液相流量對(duì)應(yīng)的噴嘴下游霧場(chǎng)圖像。通過(guò)時(shí)域圖像頻譜分析可知，隨著液相流量的增加，霧場(chǎng)從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為自激振蕩狀態(tài)，進(jìn)一步增加液相流量后，自激振蕩現(xiàn)象消失。在液相流量較小時(shí)，液相介質(zhì)通過(guò)敞口型離心內(nèi)噴嘴以液膜形式旋流至氣相噴嘴環(huán)縫出口處，阻塞氣體流動(dòng)；在氣體作用下，液膜直接破碎形成霧場(chǎng)，霧場(chǎng)存在較大顆粒液滴，同時(shí)氣相由于阻塞作用造成噴前壓力升高，最終噴嘴穩(wěn)定在某一平衡狀態(tài)工作。隨著液相流量增大，液膜速度和動(dòng)量的提高使氣相通道壅塞，氣相噴前壓力持續(xù)提高，最終克服液膜的阻塞作用而形成第2.1節(jié)不穩(wěn)定的自激振蕩現(xiàn)象，此時(shí)霧化效果最佳，且呈現(xiàn)明顯“圣誕樹(shù)”型分布[26]。液相流量進(jìn)一步增大后，氣相噴前壓力的提高不足以克服液相的壅塞作用而穩(wěn)定在某一平衡狀態(tài)，此時(shí)霧場(chǎng)呈現(xiàn)“錐形”結(jié)構(gòu)，與液相離心式噴嘴單獨(dú)工作時(shí)霧化角接近，但霧化效果較好。

圖9 固定氣相流量5 g/s時(shí)，逐漸增大液相流量對(duì)應(yīng)的噴嘴下游霧場(chǎng)圖像

圖10是固定液相流量300 g/s時(shí)，逐漸增大氣相流量對(duì)應(yīng)的噴嘴下游霧場(chǎng)圖像。通過(guò)時(shí)域圖像頻譜分析可知，產(chǎn)生噴嘴自激振蕩現(xiàn)象時(shí)，霧場(chǎng)同樣呈現(xiàn)明顯“圣誕樹(shù)”型分布，但隨著氣相流量進(jìn)一步增加，霧場(chǎng)呈現(xiàn)“鐘型”結(jié)構(gòu)特征，邊區(qū)霧場(chǎng)均向上卷吸，氣相流量達(dá)到20 g/s以上時(shí)，噴嘴始終存在大于4 kHz頻率特性。在氣相流量較小時(shí)，液相介質(zhì)幾乎完全阻塞氣體流動(dòng)，氣體不足以擾動(dòng)液相霧場(chǎng)；隨著氣相流量增大，氣體噴嘴出口速度和動(dòng)量增大，能夠克服液膜的壅塞，進(jìn)而形成不穩(wěn)定的自激振蕩現(xiàn)象；氣相流量持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，氣體始終能夠克服液膜的壅塞作用，保持自激振蕩現(xiàn)象，由于液相流量恒定，因此霧場(chǎng)未見(jiàn)明顯變化。

圖10 固定液相流量300 g/s時(shí)，逐漸增大氣相流量對(duì)應(yīng)的噴嘴下游霧場(chǎng)圖像

圖11是氣液同軸敞口型離心噴嘴產(chǎn)生自激振蕩時(shí)，通過(guò)圖像處理和脈動(dòng)壓力頻譜分析得到的自激振蕩頻率隨液相和氣相質(zhì)量流量的變化規(guī)律，壓力脈動(dòng)、噪音脈動(dòng)和霧場(chǎng)圖像的頻譜分析結(jié)果始終保持一致。噴嘴產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象時(shí)，頻率范圍約為1 583～5 634 Hz。當(dāng)氣相質(zhì)量流量恒定時(shí)，隨著氣液比的減小，噴嘴自激振蕩頻率呈線性增長(zhǎng)，主要是液相流量增大促使阻塞氣相噴嘴的時(shí)間縮短；隨著氣相流量的增加，自激振蕩頻率增長(zhǎng)率逐步增大，主要是氣相動(dòng)量增大加快了液相霧場(chǎng)阻塞吹除釋放；氣液比減小至某一臨界值后，噴嘴自激振蕩頻率繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)率降低；氣液比進(jìn)一步減小后，自激振蕩現(xiàn)象消失。當(dāng)液相質(zhì)量流量恒定時(shí)，隨著氣液比的增大，噴嘴自激振蕩頻率迅速增大；超過(guò)某一臨界值后，頻率一直呈線性增長(zhǎng)?？梢钥闯?，噴嘴自激振蕩頻率變化對(duì)液相流量更為敏感，自激振蕩特性主要取決于液相噴嘴工作狀態(tài)。

(a)液相質(zhì)量流量變化

(b)氣相質(zhì)量流量變化

2.4 離心噴嘴壁厚對(duì)自激振蕩特性影響

氣液同軸離心噴嘴在霧化燃燒過(guò)程中，氣相和液相介質(zhì)在噴嘴縮進(jìn)室開(kāi)始進(jìn)行摻混燃燒，中心位置的敞口型離心式噴嘴出口壁面厚度對(duì)于氣、液兩相的霧化摻混以及燃燒火焰的穩(wěn)定具有重要作用。壁面厚度較小時(shí)，內(nèi)噴嘴唇口易出現(xiàn)燒蝕；壁面厚度過(guò)大時(shí)，則影響氣、液兩相摻混燃燒效果。圖1氣液同軸敞口型離心噴嘴的內(nèi)噴嘴出口壁面0.5 mm，保持內(nèi)噴嘴出口外徑和外噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸、縮進(jìn)尺寸恒定的情況下，調(diào)整內(nèi)噴嘴出口壁厚至1.0 mm。調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸后的同軸噴嘴2自激振蕩頻率與原噴嘴1自激振蕩頻率對(duì)比結(jié)果如表2所示，振蕩頻率提高了1 kHz以上。

表2 自激振蕩頻率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)Kim等[19]提出的液膜計(jì)算公式，原噴嘴1在額定液相流量400 g/s時(shí)，液膜厚度964.7μm，氣核尺寸無(wú)量綱數(shù)2.62，比文獻(xiàn)中大3倍；而噴嘴2同樣工況條件下，液膜厚度1 018.2 μm，無(wú)量綱數(shù)1.94。結(jié)果表明，內(nèi)噴嘴壁面厚度增加時(shí)，液膜厚度增加，但無(wú)量綱氣核尺寸減?。灰簢娮斐隹谒俣仍龃?，導(dǎo)致液相動(dòng)量增加，因此噴嘴自激振蕩頻率增大。

2.5 自激振蕩的穩(wěn)定性邊界

氣液同軸敞口型離心噴嘴大范圍變工況時(shí)，工作參數(shù)范圍如表1所示，噴嘴的工作特性分為自激振蕩狀態(tài)和非自激振蕩狀態(tài)，即穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12所示。噴嘴工作特性隨液相變化存在產(chǎn)生自激振蕩的上下兩個(gè)邊界條件，上邊界與文獻(xiàn)[1]中類似，液相流量較小時(shí)，離心式噴嘴形成的液膜不足與氣相產(chǎn)生相互作用，而過(guò)大的液相流量對(duì)氣相產(chǎn)生“阻塞”；隨著氣相流量增長(zhǎng)，自激振蕩產(chǎn)生的范圍越寬；氣相對(duì)自激振蕩起促進(jìn)作用，而液相阻礙了自激振蕩的發(fā)展。

圖12 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

①噴嘴產(chǎn)生自激振蕩時(shí)，噴嘴出口經(jīng)過(guò)圓柱形霧場(chǎng)，圓柱形霧場(chǎng)形成徑向凸起，凸起發(fā)展為霧團(tuán)，霧團(tuán)向上卷吸，整體向下移動(dòng)，完成一個(gè)周期自激振蕩過(guò)程。②噴嘴自激振蕩時(shí)，上游瞬態(tài)壓力形成周期性脈動(dòng)，噴嘴發(fā)出“嘯叫”聲，壓力脈動(dòng)、噪音和霧場(chǎng)圖像頻率始終保持一致，頻率范圍約為1 583 Hz～5 634 Hz，液相壓力脈動(dòng)振幅相對(duì)氣相壓力較高，液相壓力與聲壓相位同步。③氣液同軸噴嘴在工作過(guò)程中，氣相與液相相互阻塞，造成噴前壓力升高，與是否產(chǎn)生自激振蕩形成噴嘴“壅塞”無(wú)關(guān)，且液相流量對(duì)氣相噴前壓力影響較大。④噴嘴自激振蕩頻率隨氣相和液相流量增長(zhǎng)，液相流量增大時(shí)自激振蕩消失，而氣相流量超過(guò)某一臨界值后，霧場(chǎng)狀態(tài)基本保持不變，但自激振蕩頻率繼續(xù)增長(zhǎng)。⑤內(nèi)噴嘴壁面厚度增加時(shí)，液膜厚度增加，無(wú)量綱氣核尺寸減小，自激振蕩頻率增大。⑥噴嘴存在產(chǎn)生自激振蕩的上下兩個(gè)液相邊界條件，隨著氣相流量增長(zhǎng)，自激振蕩范圍越寬；氣相對(duì)自激振蕩起促進(jìn)作用，而液相阻礙了自激振蕩的發(fā)展。