反壓對收口型離心噴嘴液膜厚度的影響

高琦翔,孫 虎,王煥燃,楊立軍,富慶飛

(1. 北京航空航天大學 宇航學院,北京 100191;2.西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

離心噴嘴因其結構簡單且具有良好的霧化性能,而被廣泛應用于液體火箭發動機、燃氣輪機及內燃機等熱力設備上[1]。其主要利用切向入口在旋流室中產生圓周流,并通過旋流室收斂部分加速將流動介質從噴口排出,經流體動力不穩定性液膜逐漸變薄最終分解成液滴[2]。離心噴嘴因其流動介質圓周運動產生的離心力,導致了噴口內液膜的形成,其厚度是控制噴口出口液膜發展和霧化過程的關鍵因素之一[3-4]。

為了更清楚地揭示離心噴嘴噴注和霧化間的基本機理,人們進行了許多研究來測量離心噴嘴內的液膜厚度,并發展了多種測量技術,其中主要使用了電導法和直接攝影法[5]。Jeng等利用流動可視化技術測量了大尺寸噴注器孔板內部的液膜厚度,以驗證計算和數值模擬[6]。Moon等使用攝影技術測量了較高噴注壓降下離心噴嘴內的液膜厚度,并根據幾何光學估計和校正液膜厚度測量中的誤差[3]。Suyari等利用位于放電孔中的兩個電極之間的電導測量了兩個電極之間流動路徑中的平均液膜厚度[5]。Inamura等用接觸探針測量了離心噴嘴噴口處的液膜厚度[7]。Bazarov使用兩個嵌裝在噴嘴壁上的環形電極測量了噴口內的液膜厚度[8]。

通過大量的實驗和分析研究,總結了許多預測液膜厚度的經驗公式。Simmons等推導了考慮噴嘴尺寸和噴霧錐角的收口型離心噴嘴液膜厚度的簡單方程[9]。Rizk推導了液膜厚度作為噴嘴結構尺寸、液體性質和噴注壓降函數的理論表達式,并與文獻中報告的實驗測量結果非常吻合[10]。然后,Suyari等通過實驗數據修改了方程的系數[5]。Kim等通過精確測量檢驗了液膜厚度與噴口長度的關系,并通過在現有理論方程中加入孔口長度項,給出了液膜厚度的經驗關系式[11]。Schmidt等通過利用噴嘴噴口處出口速度的相關性和與離心噴嘴結構尺寸、液體性質和噴注壓降有關的函數,定義了液膜厚度[12]。文獻[13-14]分別以水和凝膠為介質測量了敞口型離心噴嘴噴口內液膜厚度,并根據實驗結果修正了相應的液膜厚度經驗公式。雖然大多數液膜厚度經驗公式與大氣環境下的實驗結果合理匹配,但它們在高反壓條件下的適用性并未得到驗證。在實際應用中,液體火箭發動機燃燒室處于高反壓狀態,而高反壓條件下的噴霧特性與大氣條件下的噴霧特性有很大不同[15-17]。因此,迫切需要研究不同反壓環境對液膜厚度的影響,并確定一個新的經驗公式來估算液膜厚度。

1 實驗系統

實驗系統(見圖1)由工作介質供給系統、反壓系統、液膜厚度測量系統和數據采集系統組成。高壓氮氣用于擠壓儲罐中的介質,迫使供給液通過調節閥進入主管路。為了提供不同的環境壓力,設計制造了如圖2所示的高壓艙。高壓艙由304不銹鋼制成,高度546 mm,內徑154 mm,通過使用另一條氮氣供給管路進行充壓,最高可以提供3 MPa的環境背壓,背壓波動范圍在5%以內,且具有帶氣體吹掃功能的3方向光學觀察窗口;底部裝有閥門,便于調節艙內壓力。管路來流經模型噴嘴(見圖3,結構參數見表1)在高壓艙內實現噴注霧化。位于高壓艙頂部的壓力傳感器可實現對艙內壓力實時監測,測量范圍為0～4 MPa,精度可達0.5%。數據采集系統采用江蘇東華校準測試有限公司的DH5922D動態信號測試分析系統,系統采樣頻率可達256 K,可同時對16路信號實時采集。

表1 實驗離心噴嘴結構尺寸Tab.1 Geometry of experimental injector

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 The schematic of the experimental system

圖3 離心噴嘴結構及電導法示意圖Fig.3 Schematic of the conductance method and the swirl injector

采用電導測量法測量噴口處液膜厚度,兩個環形電極安裝在離心噴嘴出口附近,如圖3所示,根據電導的定義,當噴注介質在兩個電極之間流動時,由于液膜厚度的變化,兩個電極之間的電阻Rring變化可表示為

Rring=ρL/S

(1)

式中:ρ為環形液膜電阻率;L為環形液柱長度;S為液柱的環形截面積,其可表示為

S=π[r2-(r-h)2]

(2)

式中:r表示噴口出口半徑;h為液膜厚度。

將式(2)代入式(1)中,便可得到液膜厚度與液柱電阻的關系為

(3)

因此,可通過測量液體電阻來獲得液膜厚度值。

為了校準液膜測量系統,在旋流室的軸線上插入不同直徑(φ1～1.8 mm,每隔0.05 mm取一根)的陶瓷針規。將上游閥門適當開啟,以保證噴注壓降不會使產生的氣核直徑大于陶瓷針規,當噴注介質在不同尺寸校準棒與噴口壁之間填充時,產生不同厚度的液膜,對應輸出不同電壓信號值,如圖4所示。

圖4 液膜厚度實測值及其標定曲線Fig.4 Measurement value of liquid film thickness and calibration curve

采用電導法測量液膜厚度的方法存在若干不確定度。首先,在標定液膜厚度時采用了陶瓷針規作為標定棒,該標定棒的加工本身存在一定誤差,其加工公差為0.001 mm,假設其誤差服從正態分布;不確定度的另一個來源為測試環境的變化,如測試介質電導率的變化等,為了減小該類不確定度,本實驗測試介質采用自行調配的鹽水溶液(10 L蒸餾水加1 g鹽)進行實驗;另一個不太重要的不確定度引入源于該種方法本身,其所測液膜厚度實際為兩電極間平均液膜厚度,由于兩電極間距離遠小于表面波波長,因此可認為電極間液膜厚度為常數。測量的不確定度可分為A類不確定度和B類不確定度。A類不確定度采用統計分析的方法對被觀測數據評定,主要由測量重復性引起,即為多次測量所得液膜厚度的標準差;B類不確定度一般先確定影響量引起被觀測值變化的范圍,即標定棒、環境因素等不確定度來源的置信區間寬度,再與置信系數相除便可求得。由表2可以看出,測量液膜厚度的合成不確定度為0.017 mm,符合一般傳感器要求。

表2 液膜厚度測量不確定度Tab.2 The uncertainty of film thickness measurement

2 實驗結果

基于上述搭建的實驗系統,在不同反壓環境、不同噴注壓降下,對實驗用離心噴嘴進行霧化實驗,其在不同反壓下的噴注照片如圖5所示。利用電導法對實驗所用離心噴嘴液膜厚度進行了測量,測量結果如圖6所示。實驗結果表明,隨著噴注壓降的提高,離心噴嘴內液膜厚度呈減小的趨勢,與文獻[5、10-11]的研究結果一致:液膜厚度與壓降呈現出h～Δp-0.25的數量關系,表明壓降和液膜厚度呈負相關。隨著環境壓力的升高,液膜厚度也隨之變大,與文獻[18-20]中的結果一致。環境壓力的升高導致了氣體密度的增加,氣液密度比的增加使得角動量損失系數減小,水利損失系數增加,進而使流量系數變大,液膜變厚[19]。在壓降一定的情況下,氣液界面摩擦加劇,導致液體速度的降低,在保證相同質量流率的情況下,為了抵消氣液界面減小的平均軸向速度,促使液膜變厚。

圖5 不同反壓下的噴霧圖像Fig.5 Spray images under different backpressure

前人對離心噴嘴液膜厚度的研究多集中于常壓環境下,Rizk等推導了液膜厚度作為噴嘴結構尺寸、液體性質和噴注壓降函數的理論表達式[10],之后Suyari等通過實驗數據對其表達式系數進行了修正[5],Kim等通過在現有理論方程中加入孔口長度項,得出了液膜厚度的經驗關系式[11]。為驗證所得實驗數據的準確性,故選取反壓0.1 MPa(常壓環境),不同噴注壓降下測得的液膜厚度實驗值,與前人所得液膜厚度公式比較(見圖7),結果表明:基于該電導法測量的收口型離心噴嘴液膜厚度與文獻[5]所得液膜厚度經驗公式吻合較好。

圖7 實驗所測液膜厚度與液膜厚度經驗公式估算值對比Fig.7 Comparison between measured liquid film thickness and estimated liquid film thickness from others

然而,這些液膜厚度公式均未考慮反壓的影響,圖6的結果表明反壓的增加會導致液膜厚度的增加,因此,通過在現有液膜厚度理論方程[10]的基礎上,引入反壓的影響,并對常數項進行修正,導出一個新的液膜厚度經驗公式,即

(4)

式中:p表示反壓;po代表常壓。

圖8顯示了液膜厚度測量結果與式(4)估算值的比較,可以看出測量結果與經驗公式估算出的液膜厚度誤差非常小。

圖8 實驗所測液膜厚度與新液膜厚度經驗公式估算值對比Fig.8 Comparison between measured liquid film thickness and estimated liquid film thickness from new equation

3 結論

本文通過搭建反壓環境下離心噴嘴噴注系統,利用電導法對收口型離心噴嘴液膜厚度進行測量,測量所得液膜厚度不確定度為0.017 mm。通過高壓艙改變環境壓強,實現了不同反壓環境下對收口型離心噴嘴液膜厚度的影響研究,研究發現:

1)隨著噴注壓降的升高,收口型離心噴嘴內液膜厚度呈變薄趨勢。

2)環境壓力的升高,導致了氣體密度的增加,使得噴口內空氣渦與液膜界面處的剪切效果增強,導致了液體速度下降,在相同質量流率的情況下,促使液膜厚度變厚。

3)通過在文獻[10]液膜厚度理論方程的基礎上,引入反壓項,并對常數項進行修正,提出一個新的液膜厚度經驗公式。