預剪切對凝膠汽油霧化特性影響的實驗研究

徐 高，顧陽晨，朱幟帆，翁春生，白橋棟，楊建魯

(1. 南京理工大學 教育實驗學院，江蘇 南京 210094；2. 南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

凝膠推進劑是一種新型發動機推進劑，它是指將燃料或氧化劑通過凝膠劑凝膠化，從而形成的一種結構穩定、可以長期儲存的膠狀推進劑。凝膠推進劑是一種非牛頓流體，具有剪切變稀的特性[1-2]，其優點是能量密度高、流量易調節、安全性高，有著廣闊的應用前景[3]。

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

本文根據凝膠汽油剪切變稀的特性，設計了預剪切管在凝膠汽油霧化之前對其進行剪切作用，旨在降低其表觀粘度，提升霧化品質。采用Malvern粒度儀和粒子速度測試系統分別測量了凝膠汽油霧化后的液滴粒徑和速度，分析和評價預剪切管對凝膠汽油霧化特性的影響，為凝膠推進劑霧化裝置的優化設計提供參考。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 凝膠汽油的配制方法

實驗使用的凝膠推進劑由汽油和納米SiO2通過物理混合的方式配制而成，其中納米SiO2作為凝膠劑，質量分數為4%。制備時將納米SiO2加入汽油中，立即進行機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 噴射霧化系統簡介及預剪切管的設計

1.2.1 噴射霧化系統簡介及撞擊式霧化流場測量方案

實驗采用雙股射流撞擊式霧化裝置對凝膠汽油進行霧化，噴射霧化裝置如圖1所示。配制好的凝膠汽油預先加注到儲存罐中，實驗時通過高壓氮氣驅動流出，經過球閥②后均分為兩股，通過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°，噴嘴內孔直徑Di為0.8 mm，內孔長度Li為4.8 mm。

圖1 噴射霧化裝置示意圖

為了研究預剪切管對凝膠汽油撞擊式霧化特性的影響，采用Malvern粒度儀測量凝膠汽油霧化后的液滴粒徑，用激光照射霧化區域，通過軟件分析液滴造成的光路散射角度計算激光照射區域的液滴平均粒徑。本文采用的液滴粒徑數據都是在距離噴嘴口300 mm處測得的液滴索太爾平均直徑(SMD)。采用粒子速度測試系統(PIV)測量凝膠汽油霧化后的液滴速度分布，在相同工況下，高速相機在50 μs的時間間隔下連續拍攝霧化流場的兩幀圖像，后處理軟件對兩幀圖像中所有的液滴進行識別和一一對應，計算出每一個液滴的位移，最后得出液滴速度分布。實驗所得霧化流場與文獻[9]對凝膠推進劑撞擊式霧化的流場特征的分析相符合。測量時可調節參量有驅動凝膠汽油的噴射壓力p、預剪切管喉部直徑D和喉部長度L。

1.2.2 預剪切管的設計

文獻[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，即對凝膠汽油施加預剪切時其表觀粘度會降低，預剪切撤除后其表觀粘度會發生有限的恢復，但不能恢復到初始時的粘度值。根據凝膠汽油的以上特性，本文設計了能對其進行剪切作用的預剪切管，如圖2所示。由于喉部管徑較小，凝膠汽油流經預剪切管時速度增大，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預剪切管到完成噴射霧化的時間較短，其表觀粘度的恢復可以忽略，因而加裝預剪切管將對霧化效果產生影響。預剪切管喉部的直徑D和長度L分別決定了凝膠汽油所受剪切力的大小和作用時間，研究這兩個參量的變化對凝膠推進劑霧化特性的影響是本文的重點。本文設計并加工了不同形狀參數的預剪切管，其中喉部直徑D分別為2 mm、3 mm和4 mm(兩側孔徑為7 mm)，長度L分別為10 mm，20 mm和30 mm。預剪切管編號也依據這兩個參量標記為D*L*形式，例如D2L10表示喉部直徑為2 mm，長度為10 mm的預剪切管。

圖2 預剪切管示意圖

2 實驗結果及其分析

2.1 噴射壓力對凝膠汽油霧化特性的影響

為了研究噴射壓力對凝膠汽油霧化特性的影響，分別在未加裝預剪切管和加裝預剪切管的情況下，對凝膠汽油霧化后液滴粒徑和速度進行測量。

表1為未加裝預剪切管和分別加裝D2L10及D3L20的預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據可知，加裝預剪切管后霧化的液滴粒徑的大小明顯小于未加裝預剪切管的液滴粒徑。這是由于SiO2/汽油凝膠中形成了立體網狀結構，加裝預剪切管后相當于施加了一個剪切作用，剪切力將整體網狀結構破壞成許多網狀顆粒結構，表觀粘度相應下降，進而導致霧化后液滴粒徑相應減小。

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，未加裝預剪切管情形下霧化后液滴粒徑減小了14.8 μm，加裝D2L10預剪切管的減小了13.5 μm，加裝D3L20預剪切管的減小18.2 μm；而噴射壓力從0.75 MPa增加到1.25 MPa時，未加裝預剪切管情形下的霧化后液滴粒徑減小10.5 μm，加裝D2L10預剪切管的減小8.8 μm，加裝D3L20預剪切管的減小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；當噴射壓力逐漸增大，粒徑大小變化趨于平緩。這是因為隨著噴射壓力的增大，凝膠汽油剪切速率相應增大，表觀粘度減小，則霧化后的液滴粒徑也隨之減小。但文獻[13]表明，剪切速率增大到一定值時，凝膠汽油表觀粘度減小的趨勢放緩，因此噴射壓力越大，對霧化后液滴粒徑的影響也越小。

“文化自信是一個國家、一個民族發展中更基本、更深沉、更持久的力量”，“沒有高度的文化自信，沒有文化的繁榮興盛，就沒有中華民族偉大復興”。[3]23，41強調文化自信，符合科學社會主義的理論邏輯，深化并拓展中國特色社會主義的文化規定性，不僅涉及意識形態、文化形態和物性載體的統一，而且蘊涵著精神信仰、價值規范與價值承諾三個基本維度的“應然”融合。

圖3為在不同噴射壓力下，未加裝預剪切管和加裝D2L10預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，相比于未加裝預剪切管時的情形，加裝D2L10預剪切管的霧化后液滴速度明顯減小，霧化場高速區域面積減小，說明加裝預剪切管會造成霧化后液滴速度一定程度上的衰減。這是因為預剪切管對凝膠推進劑的預剪切作用雖然降低了表觀粘度，但也造成了能量的損失，使得碰撞時射流的動能減小，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霧化后液滴速度的影響。隨著噴射壓力的增加，射流撞擊時的動能增大，從圖中可以看出，霧化后液滴的速度增大且霧化場高速區域的面積增大。

2.2 預剪切管喉部直徑對凝膠汽油霧化特性的影響

預剪切管喉部直徑D越小，對凝膠汽油剪切力越大，為了研究其對凝膠汽油霧化特性的影響，加裝不同喉部直徑的預剪切管對凝膠汽油霧化后液滴粒徑和速度進行測量。

表2是加裝喉部長度為10 mm和20 mm的預剪切管霧化后液滴粒徑隨喉部直徑變化的數據。隨著喉部直徑的減小，霧化后液滴粒徑也減小。這是因為喉部直徑越小，對液流剪切作用越強。從粒徑數據的變化趨勢又可看出，喉部直徑從4 mm減小到3 mm時液滴粒徑的降幅明顯小于喉部直徑從3 mm減小到2 mm時的降幅，表明在喉部直徑較小時，直徑的變化對粒徑的影響較大，即在較大剪切力作用下凝膠汽油的表觀粘度才會有顯著變化。

表2 霧化后液滴粒徑隨喉部直徑變化

當預剪切管喉部直徑從4 mm減小到2 mm時，兩種情形下的液滴粒徑的絕對降幅分別為33.1 μm和32.0 μm，相對降幅分別為21.4%和22.0%，數值接近，因此對于不同的喉部長度，喉部直徑變化對霧化后液滴粒徑的影響程度幾乎相同。

為了研究預剪切管喉部直徑對霧化后液滴速度分布的影響，加裝喉部長度為20 mm，喉部直徑分別為4 mm，3 mm和2 mm的預剪切管在噴射壓力為1.00 MPa下進行霧化實驗。圖4為加裝不同喉部直徑的預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，核心撞擊區的速度減小，高速區域的面積減小。預剪切管喉部直徑從4 mm變化到3 mm時，液滴速度整體下降比較大，喉部直徑從3 mm變化到2 mm時，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

隨著預剪切管喉部直徑的減小，凝膠汽油受到的流動阻力增大，能量損失增加，導致霧化后液滴速度減小。由于喉部直徑從4 mm變化到3 mm時管道截面積減小約5.5 mm2，喉部直徑從3 mm變化到2 mm時管道截面積減小3.9 mm2，因此前一個變化過程中液滴速度的整體降幅更大。此外喉部截面積與兩側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的能量損失，這種補償作用也能減小霧化后液滴速度的降幅。

2.3 預剪切管喉部長度對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的不同長度預剪切管測得的粒徑變化數據。分析數據可知，對于喉部直徑為3 mm時的數據，隨著預剪切管喉部長度的增加，霧化后液滴粒徑減小。這是由于隨著喉部長度的增加，所施加的剪切力作用時間增長，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時的數據卻發現在喉部長度從20 mm增加到30 mm時，霧化后液滴的粒徑反而上升了。這說明隨著剪切力作用時間的增加達到一定值時，凝膠汽油表觀粘度趨于穩定不再明顯降低，而喉部長度的增加還會使液流能量損失增加，流速降低，導致霧化時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度變化

當預剪切管喉部長度從10 mm增加到20 mm時，兩種情形下的液滴粒徑絕對降幅分別為7.8 μm和3.2 μm，相對降幅分別為6.4%和2.3%。可見在喉部直徑較小時改變喉部長度對粒徑的影響比較大，這說明喉部直徑相比于兩側孔徑越小，對凝膠汽油的剪切力越大，此時改變剪切時間對液滴粒徑產生的影響也越大。

為了研究預剪切管喉部長度對霧化后液滴速度分布的影響，加裝喉部直徑為2 mm，喉部長度分別為10 mm、20 mm和30 mm的預剪切管在噴射壓力為1.00 MPa下進行霧化實驗。圖5為加裝不同喉部長度的預剪切管霧化后液滴速度分布矢量圖。由圖可知，隨著預剪切管喉部長度的增加，霧化撞擊的核心區域速度減小，高速區域的面積減小。喉部長度從10mm變化到20 mm時液滴速度稍有下降，而從20 mm變化到30 mm時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度變化

預剪切管喉部長度對霧化后液滴速度的影響可從兩個方面考慮，隨著預剪切管喉部長度增長，剪切作用的時間變長：一方面，液流流經喉部時能量損失增加；另一方面，凝膠汽油表觀粘度下降，液滴撞擊時的粘滯力減小，能量損失減小。從實驗數據可以明顯看出，第一方面因素占據了主導地位，霧化后液滴速度隨喉部長度的增加總體上呈下降趨勢。凝膠汽油的表觀粘度下降到一定值時就趨于平穩，因此第二方面因素的補償作用隨著剪切時間的增長越來越不明顯，從而導致隨著喉部長度增長，液滴速度的整體降幅也增大。

3 結論

1)加裝預剪切管對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度這兩個參量有關，調節這兩個參量，盡可能減小霧化后液滴粒徑，同時控制液滴速度損失，就能夠改善凝膠汽油霧化效果。

2)減小預剪切管喉部直徑能夠增大剪切力，增加預剪切管喉部長度則能夠增長剪切作用持續時間，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，霧化后液滴粒徑降幅和速度衰減都較大；在喉部長度較小時，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，在本實驗所使用的霧化裝置中，加裝喉部直徑為3～4 mm，喉部長度為10～20 mm的預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。