對撞式噴嘴在模擬燃燒室內噴霧特性研究

劉 焜，余永剛，趙 娜

（1.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京210094；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099）

在飛船、衛星、航天飛機、空間探測器、多級運載器等眾多航天器中，小推力液體火箭發動機主要擔負著姿態控制、軌道修正、軟著陸、航天器的對接和交會等任務，是現代空間飛行技術中不可缺少的一環［1－5］。燃料組元的霧化對提高液體火箭發動機的工作可靠性、工作壽命、經濟性和穩定性具有重要的影響［6－8］。為此，對于液體推進劑在燃燒室中的霧化特性，國內外學者展開了一系列研究工作。Yang等［9］運用高速攝像裝置研究了膠體推進劑經由壓力旋流噴嘴霧化的過程，他們將噴霧過程分為4個階段，并分析了噴嘴幾何結構對于噴霧形態的影響。Ajinkya等［10］對液體推進劑在燃燒室內的噴霧燃燒過程進行了數值模擬，分析了霧化液滴的平均直徑、蒸發分解速率與燃燒室壓力和推進劑質量流量的關系。Tie等［11］采用激光診斷技術，實驗研究了燃燒室內旋流噴嘴噴霧液滴的平均直徑分布。張海濱等［12］在自建的冷態橫流－旋流噴霧兩相摻混系統實驗臺上，采用粒子圖像測速法（PIV）測量了摻混通道內氣液兩相摻混過程中液滴群的運動特性，獲得了摻混流場中不同位置的液滴分布圖像與流場結構特性。趙琳等［13］使用高速攝影儀和激光粒度儀拍攝和測量了不同噴射條件下直射式噴嘴霧化過熱流體的實驗，結果表明，過熱度的增加、噴射壓力的增加和噴嘴長徑比的減小都能夠改善燃料霧化效果。趙娜等［14］設計了四旋流槽離心式噴嘴和小尺度模擬燃燒室，采用相位多普勒粒子動態分析儀（PDA）觀測了噴射壓力對模擬燃燒室內霧化性能的影響，并引入離散系數的概念對噴霧場霧化參數的周向分布規律進行了重點分析。

本文采用三維PDA測試系統，測量了對撞式噴嘴在模擬燃燒室內的噴霧場參數，從液滴平均直徑、軸向速度和徑向速度的數目分布幾方面研究了對撞式噴嘴的霧化特性，側重分析了噴霧壓力對于噴霧場參數的影響，對于進一步研究小尺度空間內液體推進劑的噴霧燃燒過程具有一定的參考價值。

1 噴霧實驗裝置

噴霧實驗裝置框圖如圖1所示。實驗時先對PDA實驗系統手動調焦，將測量原點設置在2個噴嘴連線的中點處，然后打開儲液罐閥門，調節高壓氣源閥門使噴嘴前壓力達到指定值，待噴霧穩定后運用BSAFlow軟件設置PDA測量點坐標進行測量。本實驗采用PDA測試系統的主要性能：速度測量范圍－300～1 000m／s，速度測量精度0.1%；粒徑測量范圍0.5～200μm，粒徑測量精度1%。霧化介質為模擬推進劑工質，粘度為1×10－3Pa·s，實驗時噴霧壓力分別取1.8MPa和3MPa。實驗采用的雙股圓柱形撞擊式噴嘴結構如圖2所示，噴孔直徑d0＝0.23mm，中心距l0＝3mm，雙股射流間的撞擊角2θ＝30°。

坐標軸確定方法如圖3所示。噴嘴出口方向為z軸，2個噴嘴連線的中點為坐標系原點O。垂直于z軸的截面視為Oxy平面，在該平面內與z軸相交且平行于2個噴嘴連線方向為x軸，y軸垂直于噴嘴連線。x軸、y軸和z軸三者方向符合右手螺旋關系。為了便于說明霧化場參數的分布特性，采用柱坐標形式定義測量點位置。如圖所示，周向角度α取x軸正向為0°，沿順時針方向為正方向取角，α范圍為0～180°。r為原點O到測量點在平面Oxy上的投影點間的距離。z為測量點到Oxy平面的距離。

圖1 實驗裝置圖

圖2 噴嘴結構圖

圖3 坐標系示意圖

實驗采用小推力火箭發動機模擬燃燒室如圖4所示。模擬燃燒室由有機玻璃加工制成，總高度為130mm。燃燒室主體呈圓柱形，內徑70mm，出口段為一收斂噴管，出口內徑35mm。為了便于采集數據，在模擬燃燒室壁面上開有周向180°的透光槽，槽道寬度5mm。實驗選取距噴嘴距離為25、50、80、100mm共4個測量截面。每個截面上以每間隔30°按測量點與原點O在截面上的投影點間的距離r＝0、5、10、15、20、25mm 取6個試驗點共計36個測量點進行測量，截面上測量點布置如圖5所示。

圖4 模擬燃燒室

圖5 截面上測量點布置圖

2 實驗結果與分析

2.1 噴霧場液滴平均直徑的數目分布

圖6為模擬燃燒室內，噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa工況下，霧化液滴平均直徑D30的數目分布P。圖6（a）中，在p＝1.8MPa工況下，D30的數目分布主要集中在54～94μm，其中各區間內的液滴數較為接近，最大值出現在78～86μm區間，占液滴總數的18.5%，最小值為62～70μm區間內的13.9%。在大于94μm和小于54μm的各區間內，液滴數呈正態分布，越向兩端發展，液滴數越小。而在圖6（b）中，p＝3MPa工況下D30的數目分布整體上表現為正態分布的特點，峰值出現在54～62μm區間，為液滴總數的29.8%。與p＝1.8MPa相比，p＝3MPa時，液滴數在小于54μm的各區間內明顯增大，46～54μm區間內由5.5%增至23.5%，38～46μm區間內由3.6%增至19%，30～38μm區間內由0.5%增至1.9%。而在大于70μm的各區間內液滴數顯著減少，分別是70～78μm內的18.1%減少至5%，78～86μm內的18.5%至3.6%，86～94μm內的14%至0.4%，在94～102μm和102～110μm區間內，液滴數由2.8%、1.3%減少至0。因此可見，噴霧壓力增大，液滴平均直徑D30的正態分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發展。

圖6 液滴平均直徑D30的數目分布

2.2 液滴軸向速度的數目分布

圖7 、圖8分別給出了在噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa工況下，模擬燃燒室內與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個截面上，霧化液滴軸向速度u的數目分布。由圖7（a）可見，在z＝25mm截面上，液滴主要集中在21～33m／s區間內，峰值出現在24～27m／s速度段內，為36.1%，21m／s以下的速度段呈不規則分布。與圖7（a）相比，圖7（b）中z＝50mm 截面上，最大液滴數仍在24～27m／s速度段，為35.6%。在30～33m／s段的液滴數分布P由12.5%減少到5.2%，在21～24m／s段由11.8%增加到16.4%，27～30m／s段由27.6%增加至30.4%。圖7（c）中，液滴數在21～24m／s速度段內為28.2%，在24～27m／s速度段 內達到52.8%。圖7（d）中，在18～21m／s和21～24m／s段內的液滴數分別為42%和39.6%。綜合圖7中液滴軸向速度數目分布的變化說明，隨著噴霧向下游發展，液滴軸向速度u的數目分布向小速度方向偏移。

圖7 p＝1.8MPa工況液滴軸向速度的數目分布

圖8 p＝3MPa工況液滴軸向速度的數目分布

與圖7相比，圖8中p＝3MPa工況下，z＝25mm和z＝50mm截面上，液滴軸向速度的數目分布區別不大，而在遠離噴嘴的z＝80mm和z＝100mm截面上，在24m／s以上速度段內的液滴數出現明顯的不同。圖8（c）中，處于24～27m／s速度段的液滴占總數的36%，小于圖7（c）中的52.8%，27～30m／s段液滴數仍有16.1%，而圖7（c）中該段已不存在液滴。圖8（d）中，24～27m／s速度段內液滴數為25.6%，對應的圖7（d）中該速度段內液滴數為0。因此可見，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠的截面上，軸向速度u的損失越小。

2.3 液滴徑向速度的數目分布

圖9、圖10分別顯示了在噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa時，模擬燃燒室內與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個截面上，霧化液滴徑向速度v的數目分布。圖7中，液滴徑向速度隨測量截面與噴嘴之間距離的變化主要體現在0.2～0.5m／s區間內的速度段上，0.5m／s以上速度段內液滴較少且分布隨機。以0.3～0.4m／s速度段為例，圖7（a）～圖7（d）中該速度段內液滴數依次遞增，分別為31.8%、33.6%、40.9%和41.7%。表明在模擬燃燒室內，距離噴嘴越遠，霧化液滴徑向速度v的數目分布趨向某一狹窄速度段。相應地，圖10中，0.3～0.4m／s速度段內液滴數依次為42.6%、47.8%、47.2%、49.4%，較圖9中該段液滴數均有所上升。說明噴霧壓力越大，液滴徑向速度v分布的集中趨勢越明顯。

圖9 p＝1.8MPa工況液滴徑向速度的數目分布

圖10 p＝3MPa工況液滴徑向速度的數目分布

3 結束語

本文采用三維PDA測試系統，研究了對撞式噴嘴在模擬燃燒室內的噴霧特性，得到了液滴平均直徑、軸向速度和徑向速度的數目分布。

實驗結果表明，噴霧壓力增大，液滴平均直徑D30的正態分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發展。隨著噴霧向下游發展，液滴軸向速度u的數目分布向小速度方向偏移，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠的截面上，u的損失越小。距離噴嘴越遠，霧化液滴徑向速度v的數目分布趨向某一狹窄速度段，且噴霧壓力越大，這種分布趨勢越明顯。

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