劉 焜，余永剛，趙 娜

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

在飛船、衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間探測器、多級運(yùn)載器等眾多航天器中，小推力液體火箭發(fā)動機(jī)主要擔(dān)負(fù)著姿態(tài)控制、軌道修正、軟著陸、航天器的對接和交會等任務(wù)，是現(xiàn)代空間飛行技術(shù)中不可缺少的一環(huán)［1－5］。燃料組元的霧化對提高液體火箭發(fā)動機(jī)的工作可靠性、工作壽命、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有重要的影響［6－8］。為此，對于液體推進(jìn)劑在燃燒室中的霧化特性，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究工作。Yang等［9］運(yùn)用高速攝像裝置研究了膠體推進(jìn)劑經(jīng)由壓力旋流噴嘴霧化的過程，他們將噴霧過程分為4個(gè)階段，并分析了噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對于噴霧形態(tài)的影響。Ajinkya等［10］對液體推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)的噴霧燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了霧化液滴的平均直徑、蒸發(fā)分解速率與燃燒室壓力和推進(jìn)劑質(zhì)量流量的關(guān)系。Tie等［11］采用激光診斷技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了燃燒室內(nèi)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(tài)橫流－旋流噴霧兩相摻混系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺上，采用粒子圖像測速法（PIV）測量了摻混通道內(nèi)氣液兩相摻混過程中液滴群的運(yùn)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)，結(jié)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(shè)計(jì)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(tài)分析儀（PDA）觀測了噴射壓力對模擬燃燒室內(nèi)霧化性能的影響，并引入離散系數(shù)的概念對噴霧場霧化參數(shù)的周向分布規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

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

1 噴霧實(shí)驗(yàn)裝置

噴霧實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)先對PDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)手動調(diào)焦，將測量原點(diǎn)設(shè)置在2個(gè)噴嘴連線的中點(diǎn)處，然后打開儲液罐閥門，調(diào)節(jié)高壓氣源閥門使噴嘴前壓力達(dá)到指定值，待噴霧穩(wěn)定后運(yùn)用BSAFlow軟件設(shè)置PDA測量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測量。本實(shí)驗(yàn)采用PDA測試系統(tǒng)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(zhì)為模擬推進(jìn)劑工質(zhì)，粘度為1×10－3Pa·s，實(shí)驗(yàn)時(shí)噴霧壓力分別取1.8MPa和3MPa。實(shí)驗(yàn)采用的雙股圓柱形撞擊式噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴孔直徑d0＝0.23mm，中心距l(xiāng)0＝3mm，雙股射流間的撞擊角2θ＝30°。

坐標(biāo)軸確定方法如圖3所示。噴嘴出口方向?yàn)閦軸，2個(gè)噴嘴連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O。垂直于z軸的截面視為Oxy平面，在該平面內(nèi)與z軸相交且平行于2個(gè)噴嘴連線方向?yàn)閤軸，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(guān)系。為了便于說明霧化場參數(shù)的分布特性，采用柱坐標(biāo)形式定義測量點(diǎn)位置。如圖所示，周向角度α取x軸正向?yàn)?°，沿順時(shí)針方向?yàn)檎较蛉〗?，α范圍?～180°。r為原點(diǎn)O到測量點(diǎn)在平面Oxy上的投影點(diǎn)間的距離。z為測量點(diǎn)到Oxy平面的距離。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

圖3 坐標(biāo)系示意圖

實(shí)驗(yàn)采用小推力火箭發(fā)動機(jī)模擬燃燒室如圖4所示。模擬燃燒室由有機(jī)玻璃加工制成，總高度為130mm。燃燒室主體呈圓柱形，內(nèi)徑70mm，出口段為一收斂噴管，出口內(nèi)徑35mm。為了便于采集數(shù)據(jù)，在模擬燃燒室壁面上開有周向180°的透光槽，槽道寬度5mm。實(shí)驗(yàn)選取距噴嘴距離為25、50、80、100mm共4個(gè)測量截面。每個(gè)截面上以每間隔30°按測量點(diǎn)與原點(diǎn)O在截面上的投影點(diǎn)間的距離r＝0、5、10、15、20、25mm 取6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)36個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行測量，截面上測量點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4 模擬燃燒室

圖5 截面上測量點(diǎn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴霧場液滴平均直徑的數(shù)目分布

圖6為模擬燃燒室內(nèi)，噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa工況下，霧化液滴平均直徑D30的數(shù)目分布P。圖6（a）中，在p＝1.8MPa工況下，D30的數(shù)目分布主要集中在54～94μm，其中各區(qū)間內(nèi)的液滴數(shù)較為接近，最大值出現(xiàn)在78～86μm區(qū)間，占液滴總數(shù)的18.5%，最小值為62～70μm區(qū)間內(nèi)的13.9%。在大于94μm和小于54μm的各區(qū)間內(nèi)，液滴數(shù)呈正態(tài)分布，越向兩端發(fā)展，液滴數(shù)越小。而在圖6（b）中，p＝3MPa工況下D30的數(shù)目分布整體上表現(xiàn)為正態(tài)分布的特點(diǎn)，峰值出現(xiàn)在54～62μm區(qū)間，為液滴總數(shù)的29.8%。與p＝1.8MPa相比，p＝3MPa時(shí)，液滴數(shù)在小于54μm的各區(qū)間內(nèi)明顯增大，46～54μm區(qū)間內(nèi)由5.5%增至23.5%，38～46μm區(qū)間內(nèi)由3.6%增至19%，30～38μm區(qū)間內(nèi)由0.5%增至1.9%。而在大于70μm的各區(qū)間內(nèi)液滴數(shù)顯著減少，分別是70～78μm內(nèi)的18.1%減少至5%，78～86μm內(nèi)的18.5%至3.6%，86～94μm內(nèi)的14%至0.4%，在94～102μm和102～110μm區(qū)間內(nèi)，液滴數(shù)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(tài)分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發(fā)展。

圖6 液滴平均直徑D30的數(shù)目分布

2.2 液滴軸向速度的數(shù)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(nèi)與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個(gè)截面上，霧化液滴軸向速度u的數(shù)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(qū)間內(nèi)，峰值出現(xiàn)在24～27m／s速度段內(nèi)，為36.1%，21m／s以下的速度段呈不規(guī)則分布。與圖7（a）相比，圖7（b）中z＝50mm 截面上，最大液滴數(shù)仍在24～27m／s速度段，為35.6%。在30～33m／s段的液滴數(shù)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(shù)在21～24m／s速度段內(nèi)為28.2%，在24～27m／s速度段 內(nèi)達(dá)到52.8%。圖7（d）中，在18～21m／s和21～24m／s段內(nèi)的液滴數(shù)分別為42%和39.6%。綜合圖7中液滴軸向速度數(shù)目分布的變化說明，隨著噴霧向下游發(fā)展，液滴軸向速度u的數(shù)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(shù)目分布

圖8 p＝3MPa工況液滴軸向速度的數(shù)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(shù)目分布區(qū)別不大，而在遠(yuǎn)離噴嘴的z＝80mm和z＝100mm截面上，在24m／s以上速度段內(nèi)的液滴數(shù)出現(xiàn)明顯的不同。圖8（c）中，處于24～27m／s速度段的液滴占總數(shù)的36%，小于圖7（c）中的52.8%，27～30m／s段液滴數(shù)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(nèi)液滴數(shù)為25.6%，對應(yīng)的圖7（d）中該速度段內(nèi)液滴數(shù)為0。因此可見，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠(yuǎn)的截面上，軸向速度u的損失越小。

2.3 液滴徑向速度的數(shù)目分布

圖9、圖10分別顯示了在噴霧壓力p＝1.8MPa和p＝3MPa時(shí)，模擬燃燒室內(nèi)與噴嘴出口的軸向距離z＝25、50、80、100mm 4個(gè)截面上，霧化液滴徑向速度v的數(shù)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(xiàn)在0.2～0.5m／s區(qū)間內(nèi)的速度段上，0.5m／s以上速度段內(nèi)液滴較少且分布隨機(jī)。以0.3～0.4m／s速度段為例，圖7（a）～圖7（d）中該速度段內(nèi)液滴數(shù)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(nèi)，距離噴嘴越遠(yuǎn)，霧化液滴徑向速度v的數(shù)目分布趨向某一狹窄速度段。相應(yīng)地，圖10中，0.3～0.4m／s速度段內(nèi)液滴數(shù)依次為42.6%、47.8%、47.2%、49.4%，較圖9中該段液滴數(shù)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(shù)目分布

圖10 p＝3MPa工況液滴徑向速度的數(shù)目分布

3 結(jié)束語

本文采用三維PDA測試系統(tǒng)，研究了對撞式噴嘴在模擬燃燒室內(nèi)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(shù)目分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧壓力增大，液滴平均直徑D30的正態(tài)分布特征越明顯，D30向直徑減小的方向發(fā)展。隨著噴霧向下游發(fā)展，液滴軸向速度u的數(shù)目分布向小速度方向偏移，噴霧壓力越大，距離噴嘴較遠(yuǎn)的截面上，u的損失越小。距離噴嘴越遠(yuǎn)，霧化液滴徑向速度v的數(shù)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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