燃燒條件下自燃推進劑的霧場及火焰實驗研究

夏益志，楊偉東，王 勇,洪 流

(西安航天動力研究所 液體火箭發動機技術重點實驗室，陜西 西安 710100)

0 引言

雙組元自燃推進劑在小推力液體火箭發動機中有著廣泛的應用，其噴霧和燃燒特性實驗研究早期主要采用水或模擬液冷試以及發動機熱試[1-3]，因水及模擬液冷試無法完全反映自燃推進劑霧化及燃燒特性，有必要采用光學診斷技術實時觀察其噴霧燃燒過程，通過可視化結果加深對其霧化及燃燒特性的認識。其中George[4]率先采用全息攝影技術觀測MMH/NTO燃燒環境中的MMH液滴，提出了冷熱液滴尺寸關系式，Zung與White[5]、Lawver[6]進行了自燃推進劑混合與分離的相關可視化研究，觀察了兩股射流撞擊后的混合與分離現象。Renaud Lecourt[7]利用平面激光技術觀察了MMH/NTO燃燒的撞擊霧化液滴，以氬離子平面激光與銅離子蒸汽平面激光對燃燒的噴霧火焰的長軸與橫切的截面拍攝了圖像，測量其未燃液滴的尺寸與液滴濃度分布。普渡大學Funk、Heister等[8]用一個模型撞擊式噴注單元研究了自燃推進劑射流撞擊點火特性。研究了射流直徑、撞擊速度、撞擊角等參數對于點火特性的影響并用于指導新型自燃推進劑的研制。日本的Yoshiki等[9]研究了雙組元發動機脈沖模式下氧化劑沸騰對推進劑霧化燃燒的影響。袁曉峰等[10-11]在冷流實驗研究的基礎上，開展了自燃推進劑燃燒過程可視化實驗研究，并得到溫度分布和火焰圖像，但國內對燃燒條件下自燃推進劑的霧化和燃燒特性實驗研究鮮有報道。

本文開展了MMH/NTO自燃推進劑在單互擊式噴嘴矩形燃燒室內的噴霧燃燒過程實驗，采用高速攝影獲取了該推進劑燃燒條件下的霧場及火焰自然發光圖像，獲得了噴射速度對著火位置、液相區域大小、火焰傳播速度、火焰形態及火焰自然發光亮度的影響，為該推進劑直流互擊式噴嘴的設計優化及相關理論研究提供了參考。

1 實驗裝置及測量方法

1.1 實驗裝置

實驗采用圖1所示單互擊式噴嘴矩形燃燒室，橫截面尺寸為200 mm×170 mm，軸向長度為180 mm，主要由頭部、身部及喉部組成。頭部可安裝不同結構的互擊式噴注單元，身部帶有四面石英玻璃觀測窗，可全面觀測噴注面及其下游80 mm軸向距離內的火焰圖像，喉部可更換，主要用于研究室壓影響。實驗采用的互擊式噴嘴如圖2所示，氧化劑孔孔徑為0.4 mm，燃料孔孔徑為0.32 mm，噴嘴長徑比L/D為5，噴前自由射流長度為5.5mm，撞擊角β為75°。

圖1 單互擊式噴嘴矩形燃燒室Fig.1 Combustion chamber with impinging injector

圖2 互擊式噴嘴示意圖Fig.2 Sketch of impinging injector

1.2 光學觀測系統

實驗時首先采用Phantom V12型黑白高速相機直接拍攝了MMH/NTO著火及穩態燃燒時的火焰自然發光圖像，隨后利用氙燈作為背景光源并湮沒火焰自然發光，采用Phantom V12型黑白高速相機拍攝了MMH/NTO的噴霧液相部分圖像，如圖3所示。

為了減小較長曝光時間帶來的時間累積觀測誤差，拍攝時相機曝光時間設置為1 μs，拍攝速率為10 000 Hz。拍攝所得圖像為灰度圖，圖像分辨率為800×512像素。通過標定，像素點與實際尺寸的對應關系為0.14 mm/像素，拍攝精度滿足觀測要求。

圖3 光學拍攝示意圖Fig.3 Optical photoing setup

1.3 實驗工況

實驗工況如表1所示，保證動量比不變，重點通過改變推進劑流量研究推進劑噴射速度影響。每次實驗點火時間為3 s，穩態燃燒時間為2 s，實驗時流量采用科氏力流量計測量，壓力通過壓力傳感器測量，所有測量設備在實驗前均經過鑒定，符合測量要求。

表1 實驗工況

2 實驗結果及分析

2.1 燃燒條件下的霧場結構

通過調節背景光湮沒火焰自然發光所得穩態燃燒過程中MMH/NTO霧化陰影瞬時圖像如圖4所示，從圖4中可以看出，燃燒條件下，MMH/NTO撞擊后僅可粗略觀察到撞擊形成的液膜、液絲及少量未氣化液滴，推進劑液相所占視窗面積較小，主要集中在噴注面附近，該區域可認定為噴射霧化區[12]。圖5給出了穩態燃燒時的霧場陰影均值圖像，該圖像為2 000張瞬時陰影圖像(時長為0.2 s)對應像素點灰度值做算術平均而得。從圖5中可以看出，燃燒條件下，MMH/NTO撞擊后形成的噴射霧化區近似呈扇形，當燃料射流速度為23 m/s時，噴射霧化區的長度為5.1 mm，張角為66°，隨著燃料射流速度的增加，MMH/NTO撞擊后形成的噴射霧化區的長度及張角增加，當燃料射流速度為45 m/s時，MMH/NTO撞擊后形成的噴射霧化區的長度為10.6 mm，張角為134°，說明隨著推進劑射流速度增加，推進劑流量增大，MMH/NTO撞擊后形成的噴射霧化區面積增大，推進劑霧化蒸發需求長度變長。

圖4 燃燒條件下MMH/NTO的霧場陰影 圖像(Vf =35 m/s)Fig.4 Spray shadow image of MMH/NTO in hot-fire test(Vf=35 m/s)

圖5 燃燒條件下NTO/MMH的霧場 陰影均值圖像Fig.5 Mean value images of MMH/NTO spray shadow in hot-fire test

2.2 燃燒火焰

2.2.1 著火過程

定義初始觀察到火焰自然發光的位置為著火位置，得到著火位置與燃料射流速度的關系如圖6所示，其中白色方框表示噴嘴位置。從圖6中可以看出，燃料射流速度為23 m/s，28 m/s時，MMH/NTO著火點距離噴注面的最短距離相當，均為8.6 mm，當燃料射流速度增大到35 m/s，45 m/s后，著火點距離噴嘴面的距離增加到12.1 mm，說明隨著射流速度增大，著火點距離噴注面的距離增大，推斷與圖6中噴射霧化區長度增大相關。同時從圖5中可以看出，不同工況下的著火位置具有一定隨機性，圖6(a)位于噴注面正下方，而圖6(b)～圖6(d)則位于噴注面斜下方。不同射流速度下著火時初始觀察到的火焰自發光的面積也不相等，存在多點或多區域同時著火的情況，如圖6(c)所示，其主要原因是著火首先發生在各參數最有利于著火的位置，該位置對推進劑霧化、蒸發、混合及環境條件均較敏感，具有一定隨機性，可能存在一片區域同時滿足著火條件的情況，當然這也可能與相機拍攝速率及光圈大小相關，未能及時觀察到真正著火點。

圖6 著火位置圖像Fig.6 Grayscale images of ignition position

圖7給出了燃料射流速度為28 m/s時MMH/NTO的著火過程圖像，從圖7中可以看出，該工況下MMH/NTO撞擊后在噴注面下游軸向8.6 mm處自燃著火后，火焰向上游及下游快速發展，最終火焰向上緊貼噴注面，向下發展出可視區域，之后火焰形態基本保持穩定。

圖7 著火過程圖像(Vf =28 m/s)Fig.7 Images of ignition process( Vf =28 m/s )

圖8給出了火焰前鋒面與噴注面軸向距離和燃料噴射速度的關系曲線，其中火焰前鋒面與噴注面軸向距離L的定義如圖7所示。

圖8 火焰前鋒面與噴注面距離Fig.8 Axial distance from injector face to flame front

從圖8可以看出，當燃料射流速度為23 m/s時，火焰前鋒面發展到視窗末端需要15 ms，火焰平均傳播速度為5.3 m/s。隨著燃料射流速度增加，火焰前鋒面發展到視窗末端需求時間縮短，火焰傳播速度增大，當燃料射流速度為28 m/s時，火焰前鋒面發展到視窗末端需要7 ms，火焰平均傳播速度為11.4 m/s，當燃料射流速度為35 m/s時，火焰前鋒面發展到視窗末端需要4.3 s，火焰平均傳播速度為18.6 m/s，當射流速度為45 m/s時，火焰前鋒面發展到視窗末端只需要3 ms，火焰平均傳播速度為26.7 m/s。故可以看出，火焰傳播速度與燃料射流速度呈正比，燃料射流速度越大，著火時火焰傳播速度越快。

2.2.2 穩態火焰

通過對200張穩態火焰自然發光圖像進行算術平均得到的MMH/NTO火焰時均偽彩圖像如圖9所示。從圖中9可以看出，根據亮度劃分，MMH/NTO火焰可分為外層火焰、內層火焰及焰心3個區域，其中外層火焰顏色與背景相似，考慮到推進劑撞擊后由內向外擴散，外層推進劑密度較低，可以認為該區域化學反應較弱，MMH/NTO化學反應主要發生在青黃色內層火焰或及紅色焰心區域。從圖10中可以看出，紅色中心區域火焰亮度最高，因為火焰亮度與含碳量及溫度均正相關。從圖10瞬時圖像可以看出，當燃料噴射速度為23 m/s時，圖中可觀察到大量白色飽和亮點，可以認為這是大液滴或液滴群在高溫下灼燒發出的白光，其發光強度遠大于氣相化學反應發光強度，出現亮度飽和，故可以認為圖9中紅色區域是大液滴或液滴群集中區域，亮度主要來自含碳大液滴或液滴群高溫下灼燒發光。而隨著燃料射流速度增加，從圖10可以看出，火焰內部白色飽和亮點減少，說明大液滴或液滴群數量減少，導致火焰亮度降低，燃料噴射速度從23 m/s增加到35 m/s時，圖中紅色區域的亮度及面積變小，火焰整體亮度變低，但當燃料噴射速度增加到45 m/s時，圖9中紅色區域面積再次變大，因為此時圖10中基本觀察不到燃燒的液滴或液滴群，可以推斷造成亮度飽和的主要原因是氣相化學反應加劇，溫度升高，反應生成的光量子更多。

圖9 NTO/MMH穩態燃燒的火焰時均圖像(偽彩圖)Fig.9 Natural flame mean value images of MMH/NTO(pseudo-color-image)

圖10 NTO/MMH穩態燃燒的火焰瞬時圖像Fig.10 Natural flame instantaneous images of MMH/NTO

從圖9可以看出，焰心區域上游中心均存在一個凹腔，與圖5中扇形噴射霧化區對應，定義撞擊點到凹腔底端距離為反應長度[11]，定義內層火焰張角為火焰張角，如圖9所示，其中撞擊點到噴注面距離通過圖5計算。得到不同燃料射流速度下的反應長度及火焰張角如圖11和圖12所示。從圖11可以看出，MMH/NTO反應長度隨燃料噴射速度增加而增加，與噴射霧化區長度變化趨勢相同，但反應長度數值大于圖5噴射霧化區長度。從圖12可以看出，火焰張角同樣隨燃料噴射速度增加而增加，與噴射霧化區張角變化趨勢相同，但火焰張角小于噴射霧化區張角，故可以看出，MMH/NTO火焰形態與噴射霧化區形態存在一定關聯。

圖11 反應長度與燃料噴射速度關系Fig.11 Induction length in different fuel jet velocity

圖12 火焰張角與燃料噴射速度關系Fig.12 Flame angle in different fuel jet velocity

3 結論

本文開展了MMH/NTO自燃推進劑噴霧燃燒過程光學觀測，獲取了燃燒條件下的霧場及火焰自然發光，得到以下結論：

1)燃燒條件下，MMH/NTO液相主要集中在噴注面附近的噴射霧化區，其面積隨燃料射流速度增大而增大。

2)MMH/NTO著火點距離噴注面距離及著火過程火焰傳播速度隨燃料噴射速度增大而增大。

3)按照亮度劃分，MMH/NTO火焰分為外層火焰、內層火焰及焰心，焰心面積及亮度隨燃料噴射速度先減小后增大，主要原因是低速情況下火焰發光度主要來自大液滴或液滴群燃燒，而高速情況下火焰發光亮度主要來自氣相反應化學發光。

4)MMH/NTO反應長度及火焰張角隨燃料噴射速度增加而增大，與噴射霧化區隨燃料噴射速度變化趨勢一致。