对撞式喷嘴在模拟燃烧室内喷雾特性研究

刘 焜，余永刚，赵 娜

（1.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京210094；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099）

在飞船、卫星、航天飞机、空间探测器、多级运载器等众多航天器中，小推力液体火箭发动机主要担负着姿态控制、轨道修正、软着陆、航天器的对接和交会等任务，是现代空间飞行技术中不可缺少的一环［1－5］。燃料组元的雾化对提高液体火箭发动机的工作可靠性、工作寿命、经济性和稳定性具有重要的影响［6－8］。为此，对于液体推进剂在燃烧室中的雾化特性，国内外学者展开了一系列研究工作。Yang等［9］运用高速摄像装置研究了胶体推进剂经由压力旋流喷嘴雾化的过程，他们将喷雾过程分为4个阶段，并分析了喷嘴几何结构对于喷雾形态的影响。Ajinkya等［10］对液体推进剂在燃烧室内的喷雾燃烧过程进行了数值模拟，分析了雾化液滴的平均直径、蒸发分解速率与燃烧室压力和推进剂质量流量的关系。Tie等［11］采用激光诊断技术，实验研究了燃烧室内旋流喷嘴喷雾液滴的平均直径分布。张海滨等［12］在自建的冷态横流－旋流喷雾两相掺混系统实验台上，采用粒子图像测速法（PIV）测量了掺混通道内气液两相掺混过程中液滴群的运动特性，获得了掺混流场中不同位置的液滴分布图像与流场结构特性。赵琳等［13］使用高速摄影仪和激光粒度仪拍摄和测量了不同喷射条件下直射式喷嘴雾化过热流体的实验，结果表明，过热度的增加、喷射压力的增加和喷嘴长径比的减小都能够改善燃料雾化效果。赵娜等［14］设计了四旋流槽离心式喷嘴和小尺度模拟燃烧室，采用相位多普勒粒子动态分析仪（PDA）观测了喷射压力对模拟燃烧室内雾化性能的影响，并引入离散系数的概念对喷雾场雾化参数的周向分布规律进行了重点分析。

本文采用三维PDA测试系统，测量了对撞式喷嘴在模拟燃烧室内的喷雾场参数，从液滴平均直径、轴向速度和径向速度的数目分布几方面研究了对撞式喷嘴的雾化特性，侧重分析了喷雾压力对于喷雾场参数的影响，对于进一步研究小尺度空间内液体推进剂的喷雾燃烧过程具有一定的参考价值。

1 喷雾实验装置

喷雾实验装置框图如图1所示。实验时先对PDA实验系统手动调焦，将测量原点设置在2个喷嘴连线的中点处，然后打开储液罐阀门，调节高压气源阀门使喷嘴前压力达到指定值，待喷雾稳定后运用BSAFlow软件设置PDA测量点坐标进行测量。本实验采用PDA测试系统的主要性能：速度测量范围－300～1 000m／s，速度测量精度0.1%；粒径测量范围0.5～200μm，粒径测量精度1%。雾化介质为模拟推进剂工质，粘度为1×10－3Pa·s，实验时喷雾压力分别取1.8MPa和3MPa。实验采用的双股圆柱形撞击式喷嘴结构如图2所示，喷孔直径d0＝0.23mm，中心距l0＝3mm，双股射流间的撞击角2θ＝30°。

坐标轴确定方法如图3所示。喷嘴出口方向为z轴，2个喷嘴连线的中点为坐标系原点O。垂直于z轴的截面视为Oxy平面，在该平面内与z轴相交且平行于2个喷嘴连线方向为x轴，y轴垂直于喷嘴连线。x轴、y轴和z轴三者方向符合右手螺旋关系。为了便于说明雾化场参数的分布特性，采用柱坐标形式定义测量点位置。如图所示，周向角度α取x轴正向为0°，沿顺时针方向为正方向取角，α范围为0～180°。r为原点O到测量点在平面Oxy上的投影点间的距离。z为测量点到Oxy平面的距离。

图1 实验装置图

图2 喷嘴结构图

图3 坐标系示意图

实验采用小推力火箭发动机模拟燃烧室如图4所示。模拟燃烧室由有机玻璃加工制成，总高度为130mm。燃烧室主体呈圆柱形，内径70mm，出口段为一收敛喷管，出口内径35mm。为了便于采集数据，在模拟燃烧室壁面上开有周向180°的透光槽，槽道宽度5mm。实验选取距喷嘴距离为25、50、80、100mm共4个测量截面。每个截面上以每间隔30°按测量点与原点O在截面上的投影点间的距离r＝0、5、10、15、20、25mm 取6个试验点共计36个测量点进行测量，截面上测量点布置如图5所示。

图4 模拟燃烧室

图5 截面上测量点布置图

2 实验结果与分析

2.1 喷雾场液滴平均直径的数目分布

图6为模拟燃烧室内，喷雾压力p＝1.8MPa和p＝3MPa工况下，雾化液滴平均直径D30的数目分布P。图6（a）中，在p＝1.8MPa工况下，D30的数目分布主要集中在54～94μm，其中各区间内的液滴数较为接近，最大值出现在78～86μm区间，占液滴总数的18.5%，最小值为62～70μm区间内的13.9%。在大于94μm和小于54μm的各区间内，液滴数呈正态分布，越向两端发展，液滴数越小。而在图6（b）中，p＝3MPa工况下D30的数目分布整体上表现为正态分布的特点，峰值出现在54～62μm区间，为液滴总数的29.8%。与p＝1.8MPa相比，p＝3MPa时，液滴数在小于54μm的各区间内明显增大，46～54μm区间内由5.5%增至23.5%，38～46μm区间内由3.6%增至19%，30～38μm区间内由0.5%增至1.9%。而在大于70μm的各区间内液滴数显著减少，分别是70～78μm内的18.1%减少至5%，78～86μm内的18.5%至3.6%，86～94μm内的14%至0.4%，在94～102μm和102～110μm区间内，液滴数由2.8%、1.3%减少至0。因此可见，喷雾压力增大，液滴平均直径D30的正态分布特征越明显，D30向直径减小的方向发展。

图6 液滴平均直径D30的数目分布

2.2 液滴轴向速度的数目分布

图7 、图8分别给出了在喷雾压力p＝1.8MPa和p＝3MPa工况下，模拟燃烧室内与喷嘴出口的轴向距离z＝25、50、80、100mm 4个截面上，雾化液滴轴向速度u的数目分布。由图7（a）可见，在z＝25mm截面上，液滴主要集中在21～33m／s区间内，峰值出现在24～27m／s速度段内，为36.1%，21m／s以下的速度段呈不规则分布。与图7（a）相比，图7（b）中z＝50mm 截面上，最大液滴数仍在24～27m／s速度段，为35.6%。在30～33m／s段的液滴数分布P由12.5%减少到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%。图7（c）中，液滴数在21～24m／s速度段内为28.2%，在24～27m／s速度段 内达到52.8%。图7（d）中，在18～21m／s和21～24m／s段内的液滴数分别为42%和39.6%。综合图7中液滴轴向速度数目分布的变化说明，随着喷雾向下游发展，液滴轴向速度u的数目分布向小速度方向偏移。

图7 p＝1.8MPa工况液滴轴向速度的数目分布

图8 p＝3MPa工况液滴轴向速度的数目分布

与图7相比，图8中p＝3MPa工况下，z＝25mm和z＝50mm截面上，液滴轴向速度的数目分布区别不大，而在远离喷嘴的z＝80mm和z＝100mm截面上，在24m／s以上速度段内的液滴数出现明显的不同。图8（c）中，处于24～27m／s速度段的液滴占总数的36%，小于图7（c）中的52.8%，27～30m／s段液滴数仍有16.1%，而图7（c）中该段已不存在液滴。图8（d）中，24～27m／s速度段内液滴数为25.6%，对应的图7（d）中该速度段内液滴数为0。因此可见，喷雾压力越大，距离喷嘴较远的截面上，轴向速度u的损失越小。

2.3 液滴径向速度的数目分布

图9、图10分别显示了在喷雾压力p＝1.8MPa和p＝3MPa时，模拟燃烧室内与喷嘴出口的轴向距离z＝25、50、80、100mm 4个截面上，雾化液滴径向速度v的数目分布。图7中，液滴径向速度随测量截面与喷嘴之间距离的变化主要体现在0.2～0.5m／s区间内的速度段上，0.5m／s以上速度段内液滴较少且分布随机。以0.3～0.4m／s速度段为例，图7（a）～图7（d）中该速度段内液滴数依次递增，分别为31.8%、33.6%、40.9%和41.7%。表明在模拟燃烧室内，距离喷嘴越远，雾化液滴径向速度v的数目分布趋向某一狭窄速度段。相应地，图10中，0.3～0.4m／s速度段内液滴数依次为42.6%、47.8%、47.2%、49.4%，较图9中该段液滴数均有所上升。说明喷雾压力越大，液滴径向速度v分布的集中趋势越明显。

图9 p＝1.8MPa工况液滴径向速度的数目分布

图10 p＝3MPa工况液滴径向速度的数目分布

3 结束语

本文采用三维PDA测试系统，研究了对撞式喷嘴在模拟燃烧室内的喷雾特性，得到了液滴平均直径、轴向速度和径向速度的数目分布。

实验结果表明，喷雾压力增大，液滴平均直径D30的正态分布特征越明显，D30向直径减小的方向发展。随着喷雾向下游发展，液滴轴向速度u的数目分布向小速度方向偏移，喷雾压力越大，距离喷嘴较远的截面上，u的损失越小。距离喷嘴越远，雾化液滴径向速度v的数目分布趋向某一狭窄速度段，且喷雾压力越大，这种分布趋势越明显。

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