大氣環境中雙股自擊式噴嘴霧化液滴的運動特性

劉 焜， 余永剛， 趙 娜, 王珊珊

(1. 南京理工大學能源與動力工程學院, 江蘇 南京 210094； 2. 西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099; 3. 中國艦船研究設計中心， 湖北 武漢 430064)

1 引 言

噴嘴的霧化和混合性能直接影響著液體火箭發動機燃燒室的穩定性和可靠性。雙股自擊式噴嘴具有結構簡單、響應時間短、霧化效果好的特點，是液體火箭發動機中最常用的一種噴注器[1-3]。

目前關于雙股自擊式噴嘴的研究主要集中在撞擊力的分布、液膜破碎機理、噴霧過程特征等方面。Ibrahim等[4-5]觀測了雙股射流對撞霧化實驗后，根據液膜韋伯數大小提出了兩種液膜破碎機理：韋伯數小于2000時液膜破碎由泰勒心形波動決定；韋伯數大于2000時凱文-亥姆霍茲不穩定波動成為液膜破碎的主導因素。此外，他還提出了一個二維非線性模型，預測了液膜的厚度和形態和霧化液滴直徑，與實驗結果吻合較好。Vassallo等[6]實驗測量了噴嘴雷諾數從3000到7500工況下90°夾角雙股射流和45°夾角四股射流的撞擊霧化場參數分布。Anderson[7]和Ryan[8]等人，分別研究了不同射流條件和幾何結構下的自擊式噴嘴霧化場特性，并對射流撞擊形成的液膜建立了數學模型以分析導致液膜不穩定性的因素。Ri[9]等在Ibrahim的理論基礎[4-5]上發展出液膜的五步破碎機理，指出液膜的雷諾數與噴嘴的雷諾數呈對應關系，破碎時液膜的尺寸與邊緣處的韋伯數線性相關，系數與撞擊角度有關。Jung等[10]分別研究了層流和湍流狀態下液膜的破碎過程，并且上溯到撞擊前射流的狀態，探討了射流的空泡現象對于霧化性能的影響。Chen等[11]采用流體體積模型(VOF)[12]結合網格自適應技術(AMR)[12]模擬了射流撞擊后液膜形成到破碎成液滴的過程。Inamura等[13]研究了射流撞擊后液膜的速度分布，并推廣到霧化液滴的速度分布。Jayaprakash等[14]設計了以煤油和鋁粉為主要成分的凝膠推進劑雙股自擊式噴嘴霧化實驗裝置，通過改變噴嘴的出口直徑、噴射夾角和噴嘴壓降測量了液滴直徑分布、噴霧破裂長度和霧化角變化。

孫紀國等[15]運用激光散射測粒儀和探針研究了40°撞擊角雙股自擊式噴嘴的霧化質量和流強分布，統計分析了該噴嘴冷試驗和在液氧介質下熱試驗時的噴嘴流量系數。宋玉寶等[16]利用FAM型激光粒度儀對自擊式噴嘴的霧化特性進行了測試，并采用Monte Carlo法[12]建立了對撞噴嘴霧化液滴粒度分布模型。楊立軍等[17]研究了凝膠推進劑雙股射流撞擊后液膜的破碎過程并進行了數值模擬。趙娜等[18]采用RNI理論對雙股自擊式噴嘴噴霧場參數的分布均勻特性進行了定量分析。目前，各國學者的研究工作普遍采用實驗測量與理論分析相結合的方式進行，然而關于噴嘴的霧化機理仍然處于累積階段。

本研究采用三維相位多普勒粒子動態測試系統(PDPA)，測量了大氣環境下雙股自擊式噴嘴的流場參數，從液滴直徑、軸向速度和徑向速度等方面分析了噴嘴的霧化特性，側重分析了前人研究較少的霧化液滴速度的周向分布和數目分布，以期為雙股自擊式噴嘴的霧化機理研究提供參考。

2 噴霧實驗裝置

圖1為噴霧實驗裝置，包括噴嘴、壓力計、流量計、PDPA、壓縮機、儲液罐、調節閥等。其中PDPA測試系統由激光器、入射光單元、接收光單元、光電轉換器、信號處理器及計算機等組成。本實驗PDPA測試系統的主要性能： 速度測量范圍 -300～1000 m·s-1，測量精度0.1%； 液滴直徑測量范圍 0.5～200 μm，測量精度1%。

實驗采用的雙股自擊式噴嘴結構如圖2所示，噴孔直徑d0為0.23 mm； 中心距l為3 mm； 兩股射流間的撞擊角2θ為30°。噴嘴加工采用激光校準打孔，誤差率小于0.1%。霧化工質采用模擬液體推進劑，粘度為1×10-3Pa·s，噴嘴壓降分別取2.2 MPa和2.6 MPa。

圖1 噴霧實驗裝置

Fig.1 Scheme of the spray system

圖2 雙股自擊式噴嘴示意圖

Fig.2 Sketch diagram of the impinging nozzle

坐標軸確定方法如圖3所示。噴嘴出口方向為z軸，兩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xoy平面，在該平面內與z軸相交且平行于兩個噴嘴連線方向為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。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。r為原點O到測量點在平面xoy上的投影點間的距離。z為測量點到xoy平面的距離。

圖3 坐標系示意圖

Fig.3 Sketch diagram of coordinate system

圖4 截面上測量點布置圖

Fig.4 Distribution of measuring points on section

本實驗系統是開放性噴霧系統，霧化形成的霧滴就是流場中的顆粒相，作為PDPA系統測試的示蹤粒子，獲得噴霧流場的運動特性。實驗采用三維PDPA測試系統，PDPA光束交點即為數據測量點。實驗選取距噴嘴距離為25,50,80,100 mm共4個測量截面，每個截面上以每間隔30°按測試點與原點O在截面上的投影點間的距離r=0,5,10,15,20,25 mm取6個實驗點，共計61個測量點進行測量，截面上測量點布置如圖4所示。

2 實驗結果與分析

2.1 噴霧場液滴平均直徑與數目分布

實驗測量了噴嘴壓降(p)2.2，2.6 MPa下液滴體積平均直徑D30。圖5給出了不同噴嘴壓降下霧化液滴平均直徑D30沿軸向的變化。由圖5可以看出，當p=2.2 MPa時，z=25 mm，D30=44.26 μm；z=100 mm，D30=61.26 μm； 當p=2.6 MPa時，z=25 mm，D30=42.88 μm；z=100 mm，D30=55.49 μm。說明液滴平均直徑D30均隨著測量截面與噴嘴的軸向距離增加而變大，這是由于距離噴嘴越遠，液滴速度越小，液滴發生碰撞聚合的概率越大，液滴平均直徑也就越大。

圖5 霧化液滴平均直徑D30沿軸向的變化關系

Fig.5 Mean diameter (D30) of the droplets changing with the axis

a.p=2.2 MPab.p=2.6 MPa

圖6 液滴平均直徑D30的數目分布

Fig.6 Number distribution ofD30for droplets

圖6為噴嘴壓降2.2，2.6 MPa下液滴平均直徑D30的數目分布。由圖6可以看出，兩種壓降下霧化液滴分布圖十分接近。大部分液滴集中在40～54 μm直徑范圍內，在33～40 μm液滴數目基本相同，直徑大于54 μm的液滴數則按照直徑劃分的區間依次遞減。對比兩圖發現，在40～54 μm直徑范圍內p=2.6 MPa工況的液滴數目大于p=2.2 MPa工況下的液滴數目，說明噴嘴壓降增大，液滴尺寸分布向小粒徑偏移，霧化效果較好。這是由于提高噴嘴壓降使撞擊射流的動量增大，加劇了環境中空氣的擾動，液滴更容易發生二次碎裂，從而減小了液滴平均直徑。

2.2 液滴軸向速度的周向分布

圖7、圖8分別為噴嘴壓降為2.2，2.6 MPa下不同截面上液滴軸向速度的周向分布。由圖7可見，液滴軸向速度在α=90°和270°上呈現雙峰分布?；趯ψ采淞黛F化的特性，可以推斷α=90°和270°是射流撞擊生成液膜的擴展方向。在液膜的擴展方向上，受表面張力和擾動力的作用，液膜較容易破碎成液滴，此時液滴的軸向速度和液膜的擴展速度基本相同，因此在α=90°和270°角度上液滴軸向速度大于其他角度上的速度，這與Inamura[13]的研究結果是一致的。

由圖7、圖8可見，在同一壓降工況下，r=5～25 mm曲線基本按照由高到低順序排列，可見距離中心軸越遠，液滴軸向速度越小。同時，以比較圖7中z=25,50,80,100 mm截面上波動較小的r=5 mm曲線，發現液滴軸向速度的平均值分別為25.2,24.65,22.45,21.02 m·s-1，可見隨著測量截面到噴嘴的距離越遠，液滴軸向速度越小。這是由于噴霧在沿軸向和徑向擴展過程中，霧化液滴受到氣動力作用，軸向速度逐漸減小。

為了說明液滴軸向速度與噴嘴壓降的關系，統計了噴嘴壓降2.2，2.6 MPa工況下不同截面上液滴軸向速度的數目分布，如圖9、圖10所示。由圖9可見，大部分液滴集中在21～27 m·s-1速度段。在18 m·s-1以下，液滴數較少，特別是在0～6 m·s-1段的液滴數極其稀少。在圖9a中，54%的液滴集中在21～27 m·s-1段內，在速度較高的27～30 m·s-1段液滴數為18%，18 m·s-1以下的液滴僅占12%。與圖9a相比，圖9b中，27～30 m·s-1速度段的液滴逐漸消失，24～27 m·s-1段液滴數由30%減少到23%，21～24 m·s-1段液滴數增加，有55%的液滴集中在21～27 m·s-1內，18 m·s-1以下速度段液滴數略有增加。與圖9相比，p=2.6 MPa時，更多的液滴集中在21～27 m·s-1段，圖10a中該速度段內的液滴數達到總數的75%，圖10b中21～27 m·s-1段液滴數為71%，其它速度段內液滴數有所減少?？梢妵娮靿航翟龃?，液滴軸向速度趨于某一狹窄速度段，分布均勻性變好。

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖7 2.2 MPa工況液滴軸向速度的周向分布

Fig.7 Circumferential distribution of axial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖8 2.6 MPa工況液滴軸向速度的周向分布

Fig.8 Circumferential distribution of axial velocity under 2.6 MPa for droplets

a.z=50 mmb.z=80 mm

圖9 2.2 MPa工況液滴軸向速度的數目分布

Fig.9 Number distribution of axial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=50 mmb.z=80 mm

圖10 2.6 MPa工況液滴軸向速度的數目分布

Fig.10 Number distribution of axial velocity under 2.6 MPa for droplets

2.3 液滴徑向速度的周向分布

圖11、12分別為噴嘴壓降p=2.2 MPa和p=2.6 MPa工況下液滴徑向速度的周向分布。由圖11可以發現，徑向速度曲線以α=90°和270°兩個分界點分為三段： 0°～90°,90°～270°,270°～330°。由于α=90°和270°是液膜的擴展方向，所以多條曲線出現拐點，徑向速度顯著下降，在0°～90°,90°～270°,270°～330°三個區間內徑向速度出現波動性變化。從圖11、圖12中r=5～25mm曲線的排列順序可見，距離中心軸越遠，液滴徑向速度越大，徑向速度的脈動也越大。這是由于隨著噴霧的發展，射流中心的動量逐漸向外傳遞，液滴徑向速度逐漸增大，特別在0°和180°與液膜垂直的方向上液滴聚合破裂導致徑向速度脈動較大。這種趨勢直至噴霧邊緣處受氣動力作用，液滴徑向速度降低為零。比較圖11中z=25,50,80,100 mm截面上r=5 mm曲線，液滴徑向速度的平均值分別為0.36,0.3,0.26,0.25 m·s-1，可見隨著測量截面到噴嘴的距離越遠，液滴徑向速度越小。

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖11 2.2 MPa工況液滴徑向速度的周向分布

Fig.11 Circumferential distribution of radial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=50 mmc.z=80 mmd.z=100 mm

圖12 2.6MPa工況液滴徑向速度的周向分布

Fig.12 Circumferential distribution of radial velocity under 2.6 Mpa for droplets

由于液滴徑向速度整體較小，噴嘴壓降對于徑向速度的周向分布影響不明顯?，F根據液滴徑向速度的數目分布來分析說明徑向速度與噴嘴壓降的關系。圖13、圖14分別為p=2.2 MPa和p=2.6 MPa工況下不同軸向截面上液滴徑向速度的數目分布。z=25 mm截面上，圖13a中液滴徑向速度按從小到大階梯分布，液滴主要分布在0.2～0.4 m·s-1區間，其中52%的液滴徑向速度在0.2～0.3 m·s-1區間，26%的液滴徑向速度在0.3～0.4 m·s-1區間，大于0.4 m·s-1的液滴數目較小且隨機波動。圖14a中，0.2～0.3 m·s-1段液滴數為32%，0.3～0.4 m·s-1段液滴數為24%，與圖13a相比，處于0.2～0.4 m·s-1這一較低速度區間的液滴數較少，而0.4 m·s-1以上的較高速度段內液滴數較多。z=80 mm截面上，圖13b中0.2～0.3 m·s-1和0.3～0.4 m·s-1區間內液滴數分別為57%和26%，而圖14b中0.2～0.3 m·s-1段液滴數為42%，并且0.3～0.4 m·s-1段內液滴數也達到了38%?？梢婋S著噴嘴壓降增大，液滴徑向速度總體趨于增大，分布均勻性變差。

a.z=25 mmb.z=80 mm

圖13 2.2 MPa工況液滴徑向速度的數目分布

圖13 Number distribution of radial velocity under 2.2 MPa for droplets

a.z=25 mmb.z=80 mm

圖14 2.6 MPa工況液滴徑向速度的數目分布

圖14 Number distribution of radial velocity under 2.6 MPa for droplets

4 結 論

(1)隨著測量截面與噴嘴間的距離(z)增加，液滴平均直徑(D30)增大，由z由25 mm增到100 mm，噴嘴壓降為2.2 MPa時，D30由44.26 μm增大到61.26 μm，當噴嘴壓降為2.6 MPa，D30由42.88 μm增大到55.49 μm； 同時，噴嘴壓降越大，液滴平均直徑越小，霧化效果越好。

(2)噴霧場中液滴軸向速度在周向上呈雙峰分布，α=90°和270°分別為兩個峰值點； 同一壓降工況下，液滴軸向速度隨著測量點與中心軸的距離增大而減??； 距離噴嘴越遠，液滴軸向速度越??； 噴嘴壓降增大，液滴軸向速度集中在21～27 m·s-1速度段，均勻性變好。

(3)噴霧場中液滴徑向速度的周向分布呈分段波動性變化，測量點距離中心軸越遠，液滴徑向速度脈動越大； 測量截面距離噴嘴越遠，液滴徑向速度越??； 噴嘴壓降增大，液滴徑向速度分布均勻性變差。

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