陳 晨,晏至輝,唐志共,楊 樣,劉崇智

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)(2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速所, 綿陽(yáng) 621000)

噴嘴是燃燒室的關(guān)鍵組成部分,燃燒室的燃燒性能及流場(chǎng)均勻性等均與噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)緊密關(guān)聯(lián)．研究噴霧的擴(kuò)散情況、破碎長(zhǎng)度及粒徑分布等,可以為點(diǎn)火位置選擇、高頻或低頻不穩(wěn)定性分析、燃燒性能的預(yù)測(cè)、燃燒室壁面及噴注面的回流熱分析等提供依據(jù),因此有必要對(duì)其進(jìn)行全面深入的研究．

目前,氣液同軸噴嘴因其優(yōu)越的霧化、混合及燃燒穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域,按照內(nèi)噴嘴的不同,可分為氣液同軸直流式噴嘴和氣液同軸離心式噴嘴,其中氣液同軸離心式噴嘴具有安裝個(gè)數(shù)少,對(duì)燃燒的不穩(wěn)定性相對(duì)不敏感等優(yōu)點(diǎn)[1]．按照中心噴嘴的不同,氣液同軸離心式噴嘴又可以分為液體中心式和氣體中心式,液體中心式因其能夠在較大工況范圍內(nèi)穩(wěn)定高效燃燒而得到廣泛關(guān)注[2],國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開展研究．

結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，文獻(xiàn)[3]借助激光粒子動(dòng)態(tài)分析儀研究發(fā)現(xiàn),氣液同軸離心式噴嘴出口擴(kuò)張角可以有效增強(qiáng)氣液間的相互作用,改善流強(qiáng)分布,并發(fā)現(xiàn)噴嘴存在一個(gè)最佳縮進(jìn)值,可在不顯著改變流量的前提下優(yōu)化霧化性能;文獻(xiàn)[4-5]基于縮進(jìn)長(zhǎng)度提出了縮進(jìn)角的概念,指出每種縮進(jìn)角對(duì)應(yīng)不同氣液相互作用模型及流動(dòng)形態(tài),借助高速動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)獲取粒徑分布信息,提出最佳霧化縮進(jìn)長(zhǎng)度表達(dá)式;文獻(xiàn)[6]用兩相探針測(cè)量了氣液同軸離心式噴嘴的流強(qiáng)分布特性,指出改變氣液噴注壓降會(huì)導(dǎo)致不同的流強(qiáng)和混合比分布規(guī)律,此外增大噴嘴縮進(jìn)比將導(dǎo)致更窄更長(zhǎng)的噴霧,同時(shí)氣液混合均勻度變好;文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)研究了0.71～1.37范圍內(nèi)縮進(jìn)數(shù)對(duì)氣液同軸離心式噴嘴的噴霧形狀、噴霧角、破碎長(zhǎng)度及質(zhì)量分布的影響,結(jié)果表明存在最佳縮進(jìn)值1.15使得霧化效果最好,混合效率最高;文獻(xiàn)[8]研究了縮進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)氣液同軸離心式噴嘴霧化特性的影響,縮進(jìn)長(zhǎng)度會(huì)影響霧化模式,進(jìn)而影響著噴霧形態(tài)、噴霧角和破碎長(zhǎng)度;文獻(xiàn)[9]研究了氣液同軸離心式噴嘴縮進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)霧化特性的影響,發(fā)現(xiàn)一旦縮進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到某一與噴霧角相關(guān)的臨界值時(shí),會(huì)產(chǎn)生自激震蕩現(xiàn)象,縮進(jìn)長(zhǎng)度和氣液比對(duì)液滴直徑和分布影響較大．

工作參數(shù)方面,文獻(xiàn)[10]通過試驗(yàn)研究了氣液噴注壓降對(duì)流量和粒徑值的影響,發(fā)現(xiàn)可通過增加氣液壓降來優(yōu)化霧化質(zhì)量;文獻(xiàn)[11]通過測(cè)量噴霧角和液滴粒徑值,對(duì)比了液體中心式及氣體中心式兩種構(gòu)型氣液同軸離心式噴嘴的霧化特性,其中液體中心式的噴霧角隨動(dòng)量比增加而降低;文獻(xiàn)[12]對(duì)冷熱流下旋流式氣液同軸噴嘴的霧化特性進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)常壓燃燒時(shí)霧化參數(shù)分布特性與冷流相近,但噴霧燃燒時(shí)液相流強(qiáng)大幅減小,分布趨于平坦;文獻(xiàn)[13]研究了背壓下氣液同軸離心式噴嘴縮進(jìn)比和動(dòng)量比對(duì)噴霧模式的影響;文獻(xiàn)[14]借助高速相機(jī)和PDPA研究了氣液比對(duì)氣液同軸離心式噴嘴的影響,氣液比的增加可以有效降低粒徑值,從而優(yōu)化霧化效果,但缺點(diǎn)是使得流強(qiáng)分布更不均勻;文獻(xiàn)[15]借助Mie散射及PLIF(planar laser-induced fluorescence)測(cè)量氣液同軸離心式噴嘴的粒徑分布,測(cè)量發(fā)現(xiàn)粒徑值隨動(dòng)量比增加而降低,各軸向截面粒徑平均值近似相同．

上述研究著重分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)對(duì)霧化特性帶來的影響,得到了一些有意義的結(jié)果,但大多采用各測(cè)量平面粒徑、速度平均值或某一平面各測(cè)量點(diǎn)流場(chǎng)信息來描述分布特性,欠缺對(duì)噴嘴整個(gè)流場(chǎng)空間分布特性的詳細(xì)研究,并且對(duì)流強(qiáng)分布特性的研究鮮見報(bào)道,但獲取噴霧全流場(chǎng)的空間分布規(guī)律對(duì)噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)、點(diǎn)火位置選擇及熱防護(hù)等具有重要意義．文中以空氣和水為模擬介質(zhì),在不同氣體噴注壓降和液體噴注壓降下,采用PDPA對(duì)噴霧流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,重點(diǎn)研究分析了氣液同軸噴嘴的空間分布特性,選用多個(gè)典型測(cè)量平面考察了氣體噴注壓降和液體噴注壓降對(duì)霧化分布帶來的影響,所得結(jié)果為氣液同軸噴嘴精細(xì)化設(shè)計(jì)、點(diǎn)火位置選擇、噴霧流場(chǎng)計(jì)算和分析打下基礎(chǔ)．

1 試驗(yàn)裝置及研究方法

試驗(yàn)氣液同軸離心式噴嘴模型如圖1,模擬介質(zhì)為水和空氣,水通過切向孔進(jìn)入內(nèi)噴嘴,氣體由環(huán)縫進(jìn)入外噴嘴,內(nèi)外噴嘴間存在縮進(jìn)長(zhǎng)度L．

圖1 氣液同軸噴嘴示意Fig.1 Schematic of gas-liquid coaxial swirl injector

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)示意,測(cè)量設(shè)備采用TSI公司的二維激光相位多普勒粒子分析儀(PDPA),選用波長(zhǎng)514.4 nm激光用于粒徑測(cè)量,選用514.4 nm和488 nm激光用于軸向和切向速度測(cè)量[16-18]．

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system

試驗(yàn)以外噴嘴出口為起點(diǎn),測(cè)量平面記為X-Y平面,沿噴注方向(Z方向)依次在Z=15、50、100、150、200和300 mm處進(jìn)行測(cè)量．

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及理論分析

2.1 離心噴嘴空間分布特性

為了更好地理解氣液同軸噴嘴分布特性,首先對(duì)內(nèi)噴嘴進(jìn)行空間分布特性研究．圖3為離心噴嘴液體噴注壓降ΔPl為0.4 MPa時(shí)的粒徑SMD、軸向速度Va及數(shù)據(jù)率(單位時(shí)間測(cè)量點(diǎn)采集到的粒子數(shù))空間分布特性,目前文獻(xiàn)中多采用液態(tài)水含量或流強(qiáng)來反映流場(chǎng)濃度信息,但這兩個(gè)參數(shù)都是將粒子數(shù)與粒徑信息耦合計(jì)算所得,而霧化流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)粒子數(shù)目的多寡關(guān)系到該點(diǎn)的破碎與聚合,因此引用數(shù)據(jù)率來表征測(cè)量點(diǎn)的粒子濃度,圖3中橫坐標(biāo)為以噴嘴中心軸線為起點(diǎn),距離噴嘴中心軸線的徑向距離．圖5為噴注壓降0.4 MPa時(shí)的噴霧形態(tài),為方便觀察噴嘴下游流場(chǎng),噴嘴軸線上標(biāo)注出黃色等距線,其間隔為10 mm．

圖3 離心噴嘴空間分布特性(ΔPl=0.4 MPa)Fig.3 Spatial distribution of the swirl injector (ΔPl=0.4 MPa)

研究發(fā)現(xiàn):① 由圖3可知整個(gè)空間液滴粒徑值較大,最大粒徑值高達(dá)190 μm,軸向速度較低,皆不超過6 m/s,除了近噴口處,整個(gè)流場(chǎng)數(shù)據(jù)率非常低,整體霧化效果較差；② 液體離開噴嘴出口后,噴霧形成空心錐結(jié)構(gòu),距離噴嘴出口一定區(qū)域處,液膜表面逐漸產(chǎn)生孔洞,在氣動(dòng)力和慣性力等的共同作用下,部分孔洞聚合,部分產(chǎn)生不規(guī)則形狀的液膜或液帶,進(jìn)而破裂形成液絲或大液團(tuán),液絲和大液團(tuán)在向下游移動(dòng)過程中,在環(huán)境氣體的作用下不斷分裂破碎,液滴的粒徑值與速度值不斷降低,同一平面內(nèi)液滴粒徑值曲線變化幅值增加,速度值曲線趨于平緩,伴隨著噴霧在空間的擴(kuò)散,數(shù)據(jù)率不斷降低;③ 在液滴向下游移動(dòng)過程中,由于大液滴慣性力更大,穿透能力更強(qiáng),使得大液滴被甩向噴霧外圍,同時(shí)噴霧錐內(nèi)形成渦流,小液滴更容易跟隨空氣卷吸到噴霧軸心附近,二者共同作用使得噴霧軸心處粒徑小于噴霧邊緣處,液滴粒徑呈現(xiàn)出沿徑向不斷上升的趨勢(shì),這和文獻(xiàn)[19-20]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相一致．

2.2 氣液同軸噴嘴空間分布特性

氣液同軸離心式噴嘴氣體噴注壓降ΔPg和液體噴注壓降分別為0.17、0.4 MPa時(shí)的空間分布特性如圖6，SMD、軸向速度和數(shù)據(jù)率曲線整體上都呈現(xiàn)出軸心處大、邊緣小的特征,沿軸向即隨著與噴嘴出口距離的增加,霧化特性曲線均逐漸趨于平緩,Z=15 mm平面內(nèi)的SMD和軸向速度變化幅值分別為33.4和92.7,而Z=300 mm平面內(nèi)的SMD和軸向速度變化幅值分別為15.5及57.4,對(duì)比可知兩平面的粒徑及速度變化幅值均降低了一半,說明平面內(nèi)粒徑分布更均勻．

隨著軸向距離的增加,常見的氣液同軸噴嘴呈現(xiàn)粒徑值減小的趨勢(shì)[6],但文中研究的噴嘴,自Z=50 mm平面開始,隨著軸向距離的增加,中心處軸向速度和SMD均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),但離開中心區(qū)趨勢(shì)恰好相反,液滴平均粒徑和軸向速度隨著軸向距離的增加均呈上升趨勢(shì)．而圖3的離心噴嘴空間分布規(guī)律正常,可以排除測(cè)量的系統(tǒng)誤差或人為操作誤差．分析流場(chǎng)形成原因可能有3點(diǎn):① 試驗(yàn)所采用噴嘴的縮進(jìn)值長(zhǎng)達(dá)20 mm,縮進(jìn)段內(nèi)氣液相互作用非常充分,大大提升了霧化質(zhì)量,使得圖4(a)中Z=50 mm平面處,離開中心區(qū)域液滴的粒徑值已經(jīng)低于40 μm,邊緣處粒徑值甚至已經(jīng)在30 μm以下,這均能說明Z=50 mm平面處的液滴霧化效果已經(jīng)較好;② 圖4(b)中Z=50 mm截面中心區(qū)軸心速度很高,超過100 m/s,但邊緣處速度降至11 m/s,離開中心區(qū)液滴速度迅速降低,距離噴嘴出口更遠(yuǎn)的幾個(gè)截面也均呈現(xiàn)出該現(xiàn)象,而速度較低時(shí)液滴所受的氣動(dòng)力較低,液滴在繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)過程中再次破碎變得困難;③ 圖3(c)中離心噴嘴數(shù)據(jù)率最高時(shí)為814,而圖4(c)中可知最遠(yuǎn)的Z=300 mm截面,中心區(qū)數(shù)據(jù)率為22 392,其他測(cè)量點(diǎn)也大部分超過10 000,可知最遠(yuǎn)測(cè)量平面處液滴濃度依舊很高,濃度高時(shí)液滴之間相互碰撞從而粘結(jié)聚合形成大液滴的概率較高．上述原因綜合效果使得與噴嘴出口距離增加時(shí),粒徑值沒有明顯改變,僅改善了橫向均勻性．此外,在不同軸向測(cè)量截面上,數(shù)據(jù)率峰值都介于噴霧軸線與邊緣的中間,且隨著軸向距離的增加,數(shù)據(jù)率峰值逐漸向噴霧邊緣移動(dòng),說明噴霧錐在逐漸打開,液滴沿徑向不斷向噴霧錐外側(cè)旋轉(zhuǎn)．圖4(a)中自軸向100 mm處開始,測(cè)量平面邊緣處的液滴粒徑總有略微的反彈,同樣是由于邊緣處發(fā)生碰撞聚合的幾率大于該處二次霧化分裂破碎的幾率．

圖4 氣液同軸離心式噴嘴空間分布特性 (ΔPg=0.17 MPa, ΔPl=0.4 MPa)Fig.4 Spatial distribution of gas-liquid coaxial swirl injector(ΔPg=0.17 MPa, ΔPl=0.4 MPa)

2.3 氣體噴注壓降影響

為了更好地理解氣體壓降的影響,首先研究氣體的存在對(duì)液滴霧化的影響,為了避免單一工況規(guī)律的隨機(jī)性,開展兩組試驗(yàn)探尋有無氣體存在對(duì)液滴霧化的影響,用SMD來評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量的好壞．圖5為Z=50 mm截面粒徑分布和軸向速度分布,在沒有氣流輔助,只有液體噴出時(shí),測(cè)量平面整體霧化質(zhì)量很差,顆粒粒徑普遍超過100 μm,峰值處的顆粒粒徑甚至達(dá)到170 μm,測(cè)量平面內(nèi)的粒徑變化幅值超過100 μm,顆粒軸向速度的最大值不超過10 m/s．有氣體存在時(shí),測(cè)量平面液滴粒徑大幅度衰減,粒徑最大值小于100 μm,測(cè)量平面內(nèi)粒徑變化幅值不到50 μm,軸向速度最低為25 m/s,這是由于此時(shí)除了離心噴嘴的壓力霧化效果外,周圍環(huán)形同心的氣相射流與離心噴嘴出口處的液膜構(gòu)成了氣動(dòng)霧化形式,該氣動(dòng)霧化對(duì)液膜液滴進(jìn)行了二次霧化,且二次霧化效果顯著,大幅度降低了液滴粒徑,優(yōu)化了平面內(nèi)粒徑的均勻性,極大地提高了液滴的速度．試驗(yàn)本著盡量測(cè)至噴霧徑向邊緣的原則進(jìn)行,圖5中有氣體作用時(shí),徑向測(cè)量范圍明顯減小,說明氣體射流的存在對(duì)噴霧錐的擴(kuò)張起到抑制作用,這與試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象相吻合．

圖5 氣體存在對(duì)SMD和軸向速度影響Fig.5 Gas presence on SMD and axial velocity

2.4 不同液體噴注壓降影響

液體噴注壓降升高時(shí),會(huì)產(chǎn)生3方面的影響:① 增強(qiáng)離心噴嘴的壓力霧化效果;② 縮短液滴在噴嘴縮進(jìn)段的駐留時(shí)間,進(jìn)而減少環(huán)縫氣流作用時(shí)間,降低縮進(jìn)段內(nèi)的氣液相對(duì)速度,削弱氣流對(duì)液膜及液滴的霧化作用,導(dǎo)致初始霧化的液滴直徑較大;③ 使得氣液比降低,作用在單位液滴上的霧化氣流減少．其中①會(huì)優(yōu)化離心噴嘴,而②、③會(huì)使得氣動(dòng)霧化效果變差．由圖6(a)和(b)可知,液滴SMD隨著徑向距離的增大整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì),但液體噴注壓降0.37 MPa下的粒徑及速度值與噴注壓降0.22 MPa下相比整體偏小,分析此時(shí)雖然壓力霧化和氣動(dòng)霧化同時(shí)作用,但應(yīng)該是壓力霧化效果為主,壓力霧化為主時(shí)液體噴注壓降越高,液滴粒徑越小,霧化質(zhì)量越好．

圖6(a)液體噴注壓降0.37 MPa和0.6 MPa下粒徑曲線形狀相似,但0.6 MPa下粒徑偏大,分析原因有:一方面液體噴注壓降過高導(dǎo)致氣動(dòng)霧化效果更差,另一方面隨著液體噴注壓降壓力的升高,雖然會(huì)使壓力霧化效果更好,但是噴注壓降增加到一定程度時(shí),繼續(xù)增加噴注壓降時(shí)壓力霧化效果改善不顯著,即SMD的變化不再明顯,推測(cè)試驗(yàn)噴嘴0.6 MPa與0.37 MPa下的壓力霧化效果相近,但氣動(dòng)霧化效果差距顯著,從而導(dǎo)致0.6 MPa下液滴粒徑更大．

圖6(e)為噴霧充分發(fā)展的150 mm平面處粒徑曲線,噴注壓降0.37 MPa時(shí)的粒徑值明顯優(yōu)于0.22 MPa和0.6 MPa．因此在一個(gè)固定的氣體噴注壓降下,存在一個(gè)最佳液體噴注壓降,使得此時(shí)氣動(dòng)霧化和壓力霧化綜合效果最佳即SMD最小,后續(xù)將繼續(xù)深入研究這一區(qū)間液體噴注壓降變化給霧化模式帶來的影響．

圖6 液體噴注壓降對(duì)SMD影響(ΔPg=0.13 MPa)Fig.6 Spatial profiles of SMD and axial velocity under different liquid pressure drop (ΔPg=0.13 MPa)

3 結(jié)論

(1) 相對(duì)于離心噴嘴單一的壓力霧化,氣液同軸噴嘴還存在氣動(dòng)霧化,該氣動(dòng)霧化一方面抑制噴霧錐的擴(kuò)張,另一方面使得大部分液滴粒徑降幅近50%,液滴速度升高,軸向均勻性變好.

(2) 在固定的液相噴注壓降下,增加噴嘴氣體噴注壓降(0.13～0.17 MPa),氣液比和氣液相對(duì)速度的增加,使得霧化效果得到優(yōu)化.

(3) 在固定的氣相噴注壓降下,該噴嘴存在一個(gè)最佳的液相噴注壓降,此時(shí)壓力霧化和氣動(dòng)霧化綜合效果最好．