射流偏心撞击对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验研究

邓寒玉，封锋，，余兴飞，左英英（.南京理工大学机械工程学院，江苏南京0094；.山西北方兴安化学工业有限公司，山西太原030008）



射流偏心撞击对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验研究

邓寒玉1，封锋1，1，余兴飞1，左英英2
（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.山西北方兴安化学工业有限公司，山西太原030008）

摘要：为研究射流偏心撞击对凝胶撞击雾化的影响，建立撞击雾化实验台，制备凝胶推进剂及其模拟液，对单股射流形态及不同偏心度下的撞击液膜和液滴尺寸分布进行测量。理论推导了偏心撞击下撞击液膜偏角，并与实验结果进行了对比。研究表明:随着喷射速度的增大，单股射流受到的扰动逐渐增大；在靠近喷注器出口处扰动有限，不同速度下的射流变形都很小；不同偏心度下液膜发展和破碎形式基本相同，当偏心度达到1. 5/6时，液膜自撞击点开始出现了呈一定角度较为暗淡的区域，流量不对称性增强；随着偏心度的增大，液膜偏角逐渐增大，但与理论值相比偏小；偏心度的大小对撞击雾化的液滴尺寸分布影响较小，但偏心撞击的索特平均直径值比无偏心时小，并在0. 5/6达到最小值。

关键词：兵器科学与技术；凝胶推进剂；撞击雾化；偏心撞击；液膜；液滴尺寸

封锋（1982—），男，副教授。E-mail：nust203@ aliyun. com

0 引言

凝胶推进剂静态时有一定的屈服应力，因此具有固体推进剂不易泄露和良好的储藏性能；同时由于其剪切稀化特征，受剪切时能像液体推进剂那样流动，可以应用于推力可调和多次启动发动机，因此在航空航天推进工程方面具有较好的应用前景。在胶凝剂的作用下，凝胶推进剂内部形成较为稳定的空间结构，黏性比一般的液体推进剂大，很难达到高效的雾化和燃烧，其雾化过程也成为达到工程应用的关键技术之一。目前针对这种高黏稠推进剂，常采用撞击式雾化喷嘴［1］进行雾化，刘虎等［2］对这种雾化形式进行了综述。撞击式喷嘴具有结构简单、适应性强等优点，而得到了广泛应用。

Jayaprakash等［3］对煤油凝胶进行了撞击实验，对不同条件下雾化场凝胶颗粒粒径及其分布进行了测量，指出增大喷注压力和撞击角度有利于煤油凝胶的撞击雾化效果。Madlener等［4］也对煤油凝胶撞击雾化行为进行了研究，在不同的喷注速度下得到了3种不同的雾化场结构。Yoon等［5］研究了喷注器内的流动特征，获得了其结构参数对喷射系数和管内黏度的影响。Madlener等［6］则探讨了喷注器内的入口角度对凝胶推进剂喷射过程的影响，以进一步对撞击喷嘴进行表征。Rahimi等［7］研究了气助式撞击喷嘴的雾化特征，测量了凝胶推进剂的雾化颗粒的尺寸分布。Avulapati等［8］进一步对不同气助方式下的撞击喷嘴进行了实验，研究了气液比对撞击喷雾模式、雾化角和颗粒分布的影响。Fu等［9］测量了凝胶推进剂在不同喷注器出口截面下的撞击雾化实验，分析了截面对撞击液膜破碎形式的影响。Jung等［10］研究了喷注器内流情况（包括湍流和空穴现象）对撞击雾化的影响，并指出喷注器入口形状会对撞击雾化产生较大影响。Inamura等［11］从理论上分析了单股射流内速度型面对撞击液膜特征的影响，通过相关实验说明了理论分析结果具有一定可信度。但是，对于撞击喷嘴而言，由于加工精度的影响，喷注器的轴线可能出现不相交而发生偏心撞击。目前，偏心对凝胶推进剂撞击雾化的影响，国内外相关研究还较少。

因此，本文建立了相关撞击雾化实验台，对凝胶推进剂进行了撞击实验，重点研究了喷注器偏心对撞击雾化的影响。测量了撞击雾化的液膜喷雾形态、偏心后的液膜偏角和液滴尺寸分布。对液膜偏角进行理论计算，并与实验进行了对比。

1 实验原理与模型

1. 1 实验设备

本文所搭建的撞击雾化实验台如图1所示，实验设备包括：高压氮气罐、高压凝胶储罐、撞击角度可连调的撞击式喷嘴、Shadow光源、高速相机、数据采集电脑及相关连接件和阀门。其工作原理为：以高压氮气作为气源，凝胶储罐中形成稳定高压环境，当阀门都打开时凝胶经两路从喷嘴喷出并在撞击点处撞击形成液膜。此时在光源的照射下，高速相机对液膜进行拍摄，并由图像处理计算机进行数据处理。为了实现射流偏心的精确控制，喷注器的其中一路高度可精调，最小可调范围为0. 02 mm.图中所示2α为两喷注器的撞击角度。

图1 实验设备示意图Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

根据Rahimi等［12］的凝胶管流分析，喷注器的构型会影响到其出口凝胶的黏度分布，因此喷注器的构型也是影响凝胶雾化的因素之一。图2为本文采用的喷注器收敛段示意图，其特征尺寸包括入口直径di、收敛角β、出口直径do及出口平直段长度Lo，相关尺寸如图2所示。

采用压力罐作为动力，能够给定输送系统的压差Δp，但射流速度uj是直接影响撞击效果的参数，因此对不同压差下的流量进行了测量，获得了喷注器出口的平均射流速度。对射流速度与压差的关系进行了拟合，以表征本喷注器在特定凝胶下的喷射特征。如图3给出了喷注器喷注速度随输送系统压力差的变化情况，以及相应的拟合曲线。从图3中可以看出，喷射速度随压差呈现非线性的变化趋势。当压差为0时，对应的射流速度为负值。这主要是因为凝胶模拟液存在一定的屈服应力，输送系统需要达到一定的压差才能驱动凝胶流动。

图2 喷嘴收敛段构型图Fig. 2 Convergent section of injector

图3 射流速度与压差关系Fig. 3 Jet velocity vs. pressure drop

1. 2 煤油凝胶及其模拟液

本文制备了煤油基凝胶推进剂。撞击雾化需要较多的工质，如果直接采用煤油凝胶，可能存在一定安全隐患。因此，本文以水为基，质量分数6%的纳米SiO2为胶凝剂，制备了凝胶模拟液。制备中采用高速分散机，高速转子的转速在15 000 r/ min以上，这样便于形成稳定的凝胶结构，并且分散后滴入一定量的表面活性剂可以加强凝胶结构的生成。高速分散过程中可能会产生气泡，此时需要将模拟液放置于真空环境中做消泡处理。图4所示为本文所制备的煤油凝胶推进剂及其模拟液。

目前对于凝胶推进剂，幂律本构模型由于其简单性和较好的适应性而得到广泛的应用。其本构方程［13］可以表示为

图4 凝胶推进剂及其模拟液Fig. 4 Gel propellant and simulant

凝胶制备完成后，采用美国Brookfield公司产DV-3T流变仪测量了模拟液的流变特征，并且使用幂律模型对数据进行处理。图5给出了黏性和剪切速率在对数坐标下的变化及拟合曲线。从图5中看出黏度随剪切速率增大而减小，这体现了模拟液剪切稀化特征。通过拟合曲线的斜率和截距可以获取凝胶模拟液的稠度系数和流动指数。本文制备的凝胶模拟液稠度系数和流动指数分别为K =619. 5 Pa·sn，n = -0. 065.本文中流动指数为负值，这主要是因为本文制备的SiO2模拟液具有较强的触变性，测量拟合时其影响体现到流动指数上，从而导致其值偏小，相关测试结果与Arnold等［14］给出的结果相似。

图5 表观黏度与剪切速率关系及其拟合曲线Fig. 5 Viscosity of simulant at different shear rates and its fitting curve

1.3 偏心撞击及液膜偏角

所谓射流偏心，即指两股射流轴线不能相交，射流未完全相撞。图6给出了偏心撞击喷嘴的后视图。图6中s为两喷注器轴线距离。从图6中可以看到，喷注器有部分液体流量没有参与撞击，将保持原方向流动，从而导致撞击液膜偏离正撞击时的竖直位置。液膜偏离角为ψ.

图6 偏心撞击喷嘴后视图Fig. 6 Rear view of eccentric injectors

为对偏心进行表征，本文采用了一无量纲参数，定义如下：

式中：sk为无量纲偏心度；do为喷注器出口直径。

偏心撞击的液膜偏角ψ是一个重要参数，它主要是由部分射流动量参与撞击引起的。因此，为了计算液膜偏角，需要得到未参与撞击的射流动量比。因为射流速度是基于流量的平均速度，并且凝胶为不可压缩流体，所以可以以两射流截面的相互关系来计算非撞击动量比。图7所示为偏心撞击时两射流截面相互位置关系图。偏心撞击时的射流截面为一椭圆，其长径为do/ cos α，短径为do，O为射流截面的椭圆中心。偏心撞击时，受椭圆顶冠影响的射流部分都参与了撞击，如图中阴影部分所示。

图7 偏心撞击射流截面Fig. 7 Section of eccentric jets

基于图7，非撞击动量比可以定义为

式中：S0为椭圆射流截面面积；Ss为C1C2B1的面积。Ss可以通过（4）式计算：

式中：θ= arcsin（2C1B1cos α/ do），当点C1在点O上方时，定义为OC1≥0，点C1在点O下方时，则有OC1＜0.利用非撞击动量比和相关结构参数便可以计算出相应方向上的射流动量各分量。（5）式和（6）式分别为非撞击动量在喷注器相对方向的分量和参与撞击的射流动量：

采用（5）式和（6）式的动量分量便可以计算出偏心撞击时的液膜偏角为

1. 4 Rosin-Rammler公式

本文对斜撞击条件下的撞击雾化进行了实验，对撞击雾化颗粒尺寸分布进行了测量。采用本实验系统可以统计出不同尺寸范围内颗粒数目、体积及表面积，从而计算出相应的液滴长度平均直径D10、面积平均直径D20和体积平均直径D30，以及索特平均直径（SMD）D32和德布鲁克平均直径D43.对于颗粒的尺寸分布，Rosin-Rammler经验公式由于其简便性和较少的拟合参数得到了广泛应用，其表达式［15］为

式中：QC为小于某一尺寸时的累积液滴质量分数；DX为累积质量分数X达到63. 2%时对应的液滴尺寸；q为Rosin-Rammler指数，也叫均匀度指数，其值越大表示液滴尺寸分布越均匀，无穷大时表示液滴尺寸趋于一致；d为液滴直径。

2 结果与讨论

2. 1 单股射流分析

撞击雾化是依靠两股射流撞击而成，因此射流本身特性也会对射流撞击效果产生较大影响。射流从喷注器高速喷出后，会受到气动力的扰动，射流的型面会产生较大变化，从而偏离原圆柱形状。当射流速度较高时，这种变化将变得尤为明显，在较短距离内射流表面就被撕裂发生破碎。为了研究偏心对撞击雾化的影响，偏心撞击时射流形貌要尽可能接近未受扰动时的形状，因此有必要对单股射流的喷射进行研究。为了获取所配制凝胶模拟液在不同射流速度下的射流形貌，本文采用图1所示装置对单喷注器的喷射过程进行了拍摄，如图8所示。

图8 不同速度下的射流形貌Fig. 8 The jet morphologies at different jet velocities

从图8中可以看出，随着喷射速度的增大，射流受到的扰动逐渐增大，射流表面发生较大的形变。强洪夫等［16］和曹琪等［17］在关于管道流动的研究中指出，在收敛截面中凝胶的表观黏度有较大程度的降低，并且流量越大出口黏度越小。因此射流速度高时气动力增强，同时凝胶黏度较低，二者都使扰动得以加强。

当速度超过30. 84 m/ s时，射流受到强烈的扰动，发展到一定距离时表面发生破碎，并且速度越高，射流破碎越早程度越高。射流速度较低时，射流没有发生破碎，但仍能观察到扰动波的发展。根据圆柱射流的稳定性分析，对称波形的扰动波具有最快增长率，占主导地位。但是，通过实验发现扰动波的模态并不是单一的，并且随着射流的发展不断变化。当喷射速度低到7. 59 m/ s时，射流受到扰动很小，射流表面只发生了轻微的变化。另外，靠近喷注器出口扰动处在发展的初始阶段其振幅大小有限，不同速度下的射流形变都较小。而离喷注器出口较远时，射流扰动过大同样不利于偏心撞击的效果。通过实验发现，撞击位置在0. 6～3 mm之间时，效果最好。因此，在偏心撞击研究中，为了尽量减小其他因素的影响，应使撞击位置处于该范围内。

因此，本文进行实验时，撞击点取为距喷注器出口1 mm处。压差为0. 4 MPa，对应射流速度为7. 59 m/ s，该速度下射流扰动也相对较小，适合对偏心撞击进行研究，撞击角度2α为90°.

2. 2 偏心撞击对喷雾行为的影响

采用高度微调器，对射流撞击的偏心度进行调节，对0. 5/6～3. 0/6等6种偏心度下的撞击雾化进行了实验，作为对比同时也对正撞击下的喷雾进行了研究。由于在偏心撞击时，撞击液膜偏离原来正撞击时的竖直位置，采用Shadow拍摄时，无法表现这种倾斜的程度。要使拍摄始终垂直于液膜，将大大增加系统复杂程度和操作难度。因此，本实验拍摄时仍然保持光源和高速相机水平，同时在喷雾后方进行拍摄以捕捉液膜的倾斜程度。如图9给出了3种偏心度下的液膜喷雾形态和后视图。

从图9中可以看出，随着偏心度的增大，撞击液膜偏移原竖直位置的角度越大。从液膜行为看，不同偏心度下液膜发展和破碎形式基本相同，并且和无偏心时也相似，液丝和液滴的数量和空间密集程度也一致。在射流撞击点，凝胶展开形成液膜，并且在较短距离内生成较多的液丝，随后液丝破碎形成大量液滴。其破碎模式与Baek等［15］在Carpobol有机凝胶撞击雾化中发现的“开放液膜与分离液丝”模式相似，不同之处在于本文制备的SiO2无机凝胶液丝更易破碎生成液滴，并且液膜也更易受到扰动。除去本构的影响外，其分子结构也是造成这种现象的重要因素。偏心度继续增大时，雾化区域上下侧的液滴偏离对焦平面距离较大，相机未能捕捉。另外，当偏心度达到1. 5/6时，液膜自撞击点开始出现了一定角度更为暗淡的区域，说明在该区域集中了较多的凝胶。因为射流中心错开后，随着偏心度增大，射流的撞击效果未能改变这种流量不对称性，从而形成了较为明显的两个流量集中区域。由此，可以预见当偏心度达到一定程度时喷雾的空间分布将形成两个明显的质量集中区域。

图9 不同偏心度下的液膜形态和液膜偏角Fig. 9 Sheet and spray incline angle at different eccentricities

液膜的破碎长度Lp也是衡量其雾化效果的重要参数之一。Heislbetz等［18］和王枫等［19］对破碎长度的变化规律进行了广泛的讨论，试图从稳定性理论获得其值，并与实验进行了对比。本文也对破碎长度进行了测量。图10所示为不同偏心度下撞击液膜的破碎长度。从图10中可以看出，偏心度超过1. 0/6后，液膜破碎长度基本保持不变，但都比0. 5/ 6小。这主要是因为随着偏心度增大，射流对凝胶的剪切作用增强，有利于撞击雾化，但是到一定程度时黏度减小有限，破碎长度变化不明显。

图10 破碎长度与偏心度关系Fig. 10 Breakup length vs. eccentricity

（2）式和（3）式分别定义了偏心度和非撞击动量比，后者可以通过偏心度计算，从而进一步求解偏心撞击液膜偏角。表1给出了偏心度和非撞击动量比的对应关系。

表1 偏心度与非撞击动量比对应关系Tab. 1 Eccentricity and non-impinging momentum ratio

从表1中看出，偏心度和非撞击动量比都可以衡量偏心程度，但是二者变化规律显著不同。这主要是随着偏心度的增大，射流相交面积并非呈现线性变化关系。

利用（7）式可以对撞击液膜偏角进行理论计算，并且通过如图9所示的喷雾后视图可以获得其实验值。图11给出了本文液膜偏角的实验值和理论值的对比。从图11中可以看出，随着偏心度的增大，液膜偏角逐渐增大。这是因为非撞击动量增大后，射流保持原有方向能力较强，偏转程度增大。对所有的偏心度，理论预测值与实验值相比偏小。这可以归结于在理论计算中忽略了偏心撞击对射流轴线间凝胶的稀化作用，而理论计算中则忽略这种不对称黏性的影响。

图11 液膜偏角与偏心度关系Fig. 11 Spray incline angle vs. eccentricity

2. 3 偏心撞击对颗粒尺寸分布的影响

在雾化领域，液体雾化后其颗粒的尺寸及分布是衡量雾化质量的直接因素。因此，本文采用与液膜测试相同的实验工况，对凝胶撞击雾化的液滴尺寸特征进行了测试。撞击雾化场前端颗粒未完全破碎，非球形大液滴和液丝较多，但采用丹麦Dantec公司的Dynami Studio软件计算时统一认定为球形液滴而存在较大的误差。为了更好地反映真实情况，测试位置应选择离撞击点较远处，因此本文统一取拍摄距离为100 mm，拍摄范围为15 mm×10 mm.对每一组工况，取充分发展后1 000张图片进行处理，并在处理时采用相同的约束条件以保证提取出的颗粒具有可比性。图12给出无偏心撞击下液滴图像。从图12中可以看到，图像中存在较多黑色颗粒，轮廓较为清晰的为对焦平面的液滴。使用Dynami Studio软件通过相关算法，便能从图像中提取液滴信息，对雾化场的液滴个数、尺寸和分布进行统计。

图12 雾化场液滴图像Fig. 12 The photographed droplets

图13为无偏心撞击情况下不同颗粒粒径对应的颗粒数目和体积分布曲线。从图13中可以看出，颗粒的数目分布与常见的正太分布存在较大区别。当颗粒的颗粒直径大于100 μm时，其数目中间大、两端小；而颗粒粒径为50～100 μm时，颗粒数目达到峰值，集中了大量的颗粒。这种现象对所有实验工况都存在，因此应为撞击雾化本身具有的特性。本文认为射流撞击具有强烈的非线性作用，促进了短波的发展，使得小颗粒的数目大大增加。图13（b）的左坐标为颗粒粒径对应的颗粒体积分数Q，而右坐标为累积体积分数QC.颗粒的体积分数分布呈现了中间大、两头小的分布规律，凝胶绝大部分质量分布于150～450 μm.累积体积分数的分布为标准的Rosin-Rammler分布规律，这也是相关研究者采用这种经验公式进行拟合的原因。因此，本文也对不同偏心度下的撞击雾化颗粒体积分布进行了测量。

图13 典型液滴尺寸分布图像Fig. 13 Typical size distribution of droplets

图14给出了不同偏心下的液滴尺寸分布，而表2列出了相应的Rosin-Rammler拟合参数。从图14中可以看出，液滴尺寸分布与Rosin-Rammler分布规律基本吻合，并且不同偏心下撞击雾化场的液滴尺寸分布相似。表2中的定量结果显示，无偏心时DX随着迅速下降，在2. 0/6前随着偏心度的增大而增大，但是增长的幅度很小。而偏心度为2.5/6时，DX又有所减小。另外，均匀度指数q均在4～5之间，并且与偏心度没有呈现明显的相关性。撞击喷雾的均匀度比一般的喷雾稍高，但是较旋转式喷嘴喷雾差。由此可以得出结论，对于撞击雾化喷嘴，当存在偏心时，偏心度的大小对撞击雾化的液滴尺寸分布影响较小。

图14 不同偏心下的液滴尺寸分布Fig. 14 The size distribution at different droplet diameters

表2 不同偏心度下Rosin-Rammler拟合参数Table 2 Rosin-Rammler parameters at different eccentricities

凝胶燃料雾化后，其蒸发的快慢是影响后续质量输运和燃烧反应的重要因素，可以通过液体雾化后的SMD来表征。图15给出了SMD随偏心度的变化情况。从图15中可以看出，存在偏心时SMD值与偏心度没有明显的关系，但始终小于无偏心时的情况。当偏心为0. 5/6时，其值达到最小，由此可以得出结论，当撞击有一定偏心度时有利于凝胶的雾化。但是，偏心度也不能太大，太大会导致液膜偏角太大，使凝胶局部大颗粒增多，雾化效果反而下降。而偏心度超过2. 0/6时，SMD有所下降。这主要是因为偏心度较大时射流质量分布向两侧移动，导致拍摄区域出现较多的小颗粒，如图9所示。

3 结论

1）随着喷射速度的增大，单股射流受到的扰动逐渐增大，表面形变较大。但是，在靠近喷注器出口扰动处在发展的初始阶段其振幅大小有限，不同速度下的射流扰动都很小。

图15 液滴SMD与偏心度关系Fig. 15 SMD vs. eccentricity

2）不同偏心度下液膜发展和破碎形式基本相同，在射流撞击点，凝胶展开形成液膜，并且在较短距离内生成较多的液丝，随后液丝破碎形成大量液滴。当偏心度达到1. 5/6时，液膜自撞击点开始出现了一定角度更为暗淡的区域，该区域集中了较多的凝胶，流量不对称性增强。

3）随着偏心度的增大液膜偏角逐渐增大，与理论值比较，实验值偏小。这主要是因为理论计算中忽略了偏心撞击对射流轴线间凝胶的稀化作用。

4）本文研究范围内，偏心度的大小对撞击雾化的液滴尺寸分布影响较小，但有偏心时的SMD值比无偏心时的小，并在0. 5/6达到最小值。

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Experimental Research on the Effect of Eccentric Impact of Jet on the Impinging Atomization of Gel Propellant

DENG Han-yu1，FENG Feng1，WU Xiao-song1，YU Xing-fei1，ZUO Ying-ying2
（1. School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2. Shanxi North Xing’an Chemical Indutry Co.，Ltd.，Tianyuan 030008，Shanxi，China）

Abstract：In order to study the effect of eccentric impact of jet on the impinging atomization of gel propellant，a relative experimental system is established，and a gel propellant as well as a simulant are prepared. Jet behavior，impinging liquid sheet and droplet size distribution at different eccentricities are measured. Spray incline angle is deduced theoretically and compared to the experimental results under eccentric impingement. The results indicate that the disturbances on jets are strengthened with increase in jet velocity. However，the deformations of the jets near injectors are all very small at different jet velocities since the disturbance is limited. The development and breakup of liquid sheet are basically the same under different eccentricities. While the eccentricity exceeds 1. 5/6，two darker regions with a certain angle appear at the impinging point，resulting in the enhancement of flux nonsymmetry. As the eccentricity is improved，the spray incline angle enlarges and is less than the theoretical result. The eccentricity has a little influence on the droplet size distribution of impinging atomization，but Sauter mean diameter （SMD）with eccentricity is always lower than that without eccentricity. And SMD reaches the smallest when the eccentricity equals to 0. 5/6.

Key words：ordnance science and technology；gel propellant；impinging atomization；eccentricity；sheet；droplet size

中图分类号：V513

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）04-0612-09

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 006

收稿日期：2015-07-02

基金项目：中国航天科技集团公司航天科技创新基金项目（CASC03-02）；中央高校基本科研业务费专项基金项目（30920140112001）

作者简介：邓寒玉（1988—），男，博士研究生。E-mail：dhy19890120@163. com；