ADN基液体推进剂射流撞网雾化特性的试验研究

陈 君，李国岫，张 涛，虞育松，丁佳伟，杨 蕊

（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044；2.北京控制工程研究所，北京100190；3.北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心，北京100190）

1 引言

由于环境形势的日益突出，目前各国开展了绿色无毒空间推进剂的研究［1］，其中二硝酰胺铵基推进剂（Ammonium Dinitramide，ADN）以其绿色环保、比冲和密度比冲高、加注和运输成本低等优点，被认为是应用于姿轨控卫星上的新型推进剂［2］。而喷注器作为液体推力器上游的关键环节，如何能够再进一步提升推进剂的雾化效果，是一个值得深入思考的问题。目前在许多领域都采用添加金属网的方式来提高流固之间的相互作用，不同领域对于液滴撞网后的形态和运动形式要求各有不同［3⁃6］。

Amrousse等［7］研究了HAN型绿色推力器内催化分解和燃烧过程，其中在催化床近喷孔区添加了金属网，这样的设计不仅可以固定催化剂颗粒，同时可以增强推进剂的雾化效果，增加与催化剂的接触，计算结果表明，金属网的添加可以有效提升推进剂的雾化效果。Yuliati等人［8］通过在圆管内建立了喷雾撞网雾化及燃烧的实验装置，并开展了喷雾撞网初步研究。在研究中将金属网放置在喷雾场的中下游区域，而非射流连续液核区。之后，Mikami等［9］研究基于上述所构建射流撞网过程，采用实验方法研究不同的喷射速度、金属网孔隙率等参数对于燃料流动混合燃烧过程的影响，并得到当金属网孔隙率为0.3时，液体燃料能够较好混合和稳定燃烧；并对比研究了有无金属网条件下，液态燃料混合效率和燃烧稳定性，得到金属网的添加可以有效地改善雾化效果。Carval⁃ho等［10］采用添加金属网的方式来增强雾化效果，研究了材料类型、厚度、孔径、金属网距离喷嘴距离等对射流形态、液滴空间分布的影响，并对比分析了有无金属网对雾化效果的影响，结果表明，金属网的添加可以有效地增强雾化效果。Kumar等［11］采用新型的金属丝网来改善传统的喷雾塔性能，在实验中选取三种不同配置的金属丝网进行测试，以期在最小成本范围内提高喷雾塔的性能。

离心式喷嘴虽然具有雾化效果好等优点，但由于其喷出轴向速度较小，雾化效果可能随着运行环境、具体操作工况等变化。为了能够进一步提高雾化效果，本文将在近喷孔区添加金属网来强化雾化。采用高速摄影对射流撞网过程进行采集，采用马尔文粒度仪获得液滴的空间分布。在此基础上，分析网的添加对射流破碎的影响，以及获得网目数对射流撞网的影响规律，为后续将这一设计应用于新型绿色空间推力器试验以及仿真计算提供有效的数据支持。

2 试验装置与工况

本文建立射流撞网试验系统，主要包括蓄压喷射系统、扰动网系统和图像采集系统。具体的装置如图1所示。扰动系统主要包括激光十字水平仪、高度调节系统、金属网和高精度可调十字系统等。本文选取了不同结构的金属网包括24目、60目和100目。水平激光十字仪用来将扰动网放置水平，高度可调仪可将扰动网置于距离喷嘴不同位置处。高精度可调十字系统由德国PROXXON公司生产，转轮精度可以达到0.05 mm，为试验的精确进行提供了可靠的帮助。平均粒径通过马尔文粒度仪获得，通过Spraytec软件获得平均粒径值。

图1 射流撞网试验系统Fig．1 Test system of jet⁃flow impinging on the mesh

射流蓄压喷射系统主要包括氮气瓶、储存ADN推进剂的液体储箱、管路以及电磁阀控制系统。扰动网系统主要由金属网夹持固定系统组成。图像采集和测量系统包括高速摄影、微距镜头、激光粒度仪和笔记本电脑。试验采用同步触发装置，高速摄影的拍摄速率为5000 Hz，曝光时间为 4 μs。 在试验中，首先喷孔和金属网贴紧，之后通过高精度调节系统来调整喷孔和金属网之间的垂直距离，同时调整高速摄像机⁃微距系统以及激光粒度仪的位置，以达到准确测量的目的。

3 试验结果及分析

3.1 当阻隔网为100目时，射流撞网过程计算结果分析

图2为高速相机所记录的射流撞网过程动态图片。将当射流与金属网接触前的某一瞬间定义为T0，如图2（a）所示。随着时间推移，射流与金属接触的瞬间，由于金属网的阻隔作用，射流在受到金属网表面张力的影响后，沿着金属网径向铺展开（图（b）和（c）），而穿过金属网的射流，由于受到空间作用力、粘性力和金属网表面张力的作用后，开展逐渐失稳，液膜和液丝逐渐破碎成较大的液滴，产生的区域位于离金属网较近的区域（图（d））。随着时间的推移，金属网所产生的扰动叠加作用逐渐增强，大液滴逐渐破碎成较小的液滴，并逐渐飞溅开。同时从图（e）到图（f）中，连续液核逐渐失稳破碎成交织在一起的连续液膜，并逐渐失稳成液丝。金属网的添加相当于在连续射流的基础上，外加了一个强扰动，增加了射流破碎雾化的效果。最终达到如图（f）所示的稳态结果。

图2 射流撞网过程动态图像Fig．2 The dynamic image of jet⁃flow impinging on the mesh

图3 为射流撞100目金属网后，液滴分布的特性。可以看出，液滴粒径基本符合R⁃R分布的特点，呈现出先增后减的趋势。同时，在300 μm～500 μm时，所占据的体积分数较多。

3.2 射流撞网与自由喷射试验结果对比分析

图4为同样试验环境条件下，射流撞网和自由射流稳态试验结果的对比分析图。可以看出，自由射流过程在受到空气作用力、液体本身粘性和表面张力等的共同作用下，基本呈连续液柱形态，伴随着一定程度的沿径向的波动。而对于射流撞网过程，可以明显看出，连续液柱在近喷孔区域就已经开始破碎成离散液滴，均匀地分布在网的下游区域，并成56°的散角。同时可以将射流撞网过程分为以下几部分：首先是未接触网时的自由流动区；之后当射流接触金属网后，沿着金属网表面铺展、并伴随着反弹，定义为射流撞网相互作用区；最后当射流穿过网后，连续射流逐渐失稳，液膜和液丝破碎成小液滴，定义为射流快速失稳破碎区。

图3 射流撞网后，液滴粒径分布曲线Fig．3 Distribuation of droplet size after jet flow im⁃pinging on the mesh

图4 射流撞网过程与自由射流过程对比Fig．4 Comparison between jet flow impinging on the mesh and free jet process

3.3 网目数对于射流撞网破碎过程的影响规律

图5 和图6分别是喷雾锥角和平均液滴粒径随着金属网目数的变化曲线。考虑到星载发动机射流孔径与金属网目数之间的匹配关系，因此分别选取24目、60目和100目的金属网作为试验对象。当金属网目数逐渐减少，从100目、60目降低到24目时，撞网后散角逐渐增加，从56°、61°增加到 72°，而平均粒径则随着金属网目数的降低逐渐降低，从 169.8 μm、133.4 μm减少到0。这是由于当金属网目数逐渐降低，网孔直径逐渐增大，射流撞网后，表面张力的作用逐渐减弱，导致连续射流可能经过单根丝后，出现劈叉的现象，这样就造成了射流撞网后散角大幅增加。同时也可以看出，当金属网为24目时，粒度仪基本测不出粒径的变化，证明此时射流仍未失稳破碎。

图5 射流锥角随金属网目数的变化曲线Fig．5 Changes of jet cone angle with the variation of wire mesh

图6 平均液滴粒径随金属网目数的变化曲线Fig．6 Changes of averaged droplet size with the var⁃iation of wire mesh

4 结论

1）射流撞网过程与自由射流过程相比，在较短的距离，就可失稳破碎，有效地提高了射流雾化效果；

2）根据射流撞网过程所得到的动态图片，可以将射流撞网过程分为三个区域，分别是：未接触网自由流动区域，触网后沿网表面铺展和反弹的相互作用区，穿网后下游射流快速失稳破碎区；

3）随着金属网目数的逐渐减小，撞网散角度逐渐增加，而平均粒径逐渐减少，当金属网目数为24目时，基本呈连续射流状态，未失稳破碎。

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