燃烧条件下自燃推进剂的雾场及火焰实验研究

夏益志，杨伟东，王 勇,洪 流

(西安航天动力研究所 液体火箭发动机技术重点实验室，陕西 西安 710100)

0 引言

双组元自燃推进剂在小推力液体火箭发动机中有着广泛的应用，其喷雾和燃烧特性实验研究早期主要采用水或模拟液冷试以及发动机热试[1-3]，因水及模拟液冷试无法完全反映自燃推进剂雾化及燃烧特性，有必要采用光学诊断技术实时观察其喷雾燃烧过程，通过可视化结果加深对其雾化及燃烧特性的认识。其中George[4]率先采用全息摄影技术观测MMH/NTO燃烧环境中的MMH液滴，提出了冷热液滴尺寸关系式，Zung与White[5]、Lawver[6]进行了自燃推进剂混合与分离的相关可视化研究，观察了两股射流撞击后的混合与分离现象。Renaud Lecourt[7]利用平面激光技术观察了MMH/NTO燃烧的撞击雾化液滴，以氩离子平面激光与铜离子蒸汽平面激光对燃烧的喷雾火焰的长轴与横切的截面拍摄了图像，测量其未燃液滴的尺寸与液滴浓度分布。普渡大学Funk、Heister等[8]用一个模型撞击式喷注单元研究了自燃推进剂射流撞击点火特性。研究了射流直径、撞击速度、撞击角等参数对于点火特性的影响并用于指导新型自燃推进剂的研制。日本的Yoshiki等[9]研究了双组元发动机脉冲模式下氧化剂沸腾对推进剂雾化燃烧的影响。袁晓峰等[10-11]在冷流实验研究的基础上，开展了自燃推进剂燃烧过程可视化实验研究，并得到温度分布和火焰图像，但国内对燃烧条件下自燃推进剂的雾化和燃烧特性实验研究鲜有报道。

本文开展了MMH/NTO自燃推进剂在单互击式喷嘴矩形燃烧室内的喷雾燃烧过程实验，采用高速摄影获取了该推进剂燃烧条件下的雾场及火焰自然发光图像，获得了喷射速度对着火位置、液相区域大小、火焰传播速度、火焰形态及火焰自然发光亮度的影响，为该推进剂直流互击式喷嘴的设计优化及相关理论研究提供了参考。

1 实验装置及测量方法

1.1 实验装置

实验采用图1所示单互击式喷嘴矩形燃烧室，横截面尺寸为200 mm×170 mm，轴向长度为180 mm，主要由头部、身部及喉部组成。头部可安装不同结构的互击式喷注单元，身部带有四面石英玻璃观测窗，可全面观测喷注面及其下游80 mm轴向距离内的火焰图像，喉部可更换，主要用于研究室压影响。实验采用的互击式喷嘴如图2所示，氧化剂孔孔径为0.4 mm，燃料孔孔径为0.32 mm，喷嘴长径比L/D为5，喷前自由射流长度为5.5mm，撞击角β为75°。

图1 单互击式喷嘴矩形燃烧室Fig.1 Combustion chamber with impinging injector

图2 互击式喷嘴示意图Fig.2 Sketch of impinging injector

1.2 光学观测系统

实验时首先采用Phantom V12型黑白高速相机直接拍摄了MMH/NTO着火及稳态燃烧时的火焰自然发光图像，随后利用氙灯作为背景光源并湮没火焰自然发光，采用Phantom V12型黑白高速相机拍摄了MMH/NTO的喷雾液相部分图像，如图3所示。

为了减小较长曝光时间带来的时间累积观测误差，拍摄时相机曝光时间设置为1 μs，拍摄速率为10 000 Hz。拍摄所得图像为灰度图，图像分辨率为800×512像素。通过标定，像素点与实际尺寸的对应关系为0.14 mm/像素，拍摄精度满足观测要求。

图3 光学拍摄示意图Fig.3 Optical photoing setup

1.3 实验工况

实验工况如表1所示，保证动量比不变，重点通过改变推进剂流量研究推进剂喷射速度影响。每次实验点火时间为3 s，稳态燃烧时间为2 s，实验时流量采用科氏力流量计测量，压力通过压力传感器测量，所有测量设备在实验前均经过鉴定，符合测量要求。

表1 实验工况

2 实验结果及分析

2.1 燃烧条件下的雾场结构

通过调节背景光湮没火焰自然发光所得稳态燃烧过程中MMH/NTO雾化阴影瞬时图像如图4所示，从图4中可以看出，燃烧条件下，MMH/NTO撞击后仅可粗略观察到撞击形成的液膜、液丝及少量未气化液滴，推进剂液相所占视窗面积较小，主要集中在喷注面附近，该区域可认定为喷射雾化区[12]。图5给出了稳态燃烧时的雾场阴影均值图像，该图像为2 000张瞬时阴影图像(时长为0.2 s)对应像素点灰度值做算术平均而得。从图5中可以看出，燃烧条件下，MMH/NTO撞击后形成的喷射雾化区近似呈扇形，当燃料射流速度为23 m/s时，喷射雾化区的长度为5.1 mm，张角为66°，随着燃料射流速度的增加，MMH/NTO撞击后形成的喷射雾化区的长度及张角增加，当燃料射流速度为45 m/s时，MMH/NTO撞击后形成的喷射雾化区的长度为10.6 mm，张角为134°，说明随着推进剂射流速度增加，推进剂流量增大，MMH/NTO撞击后形成的喷射雾化区面积增大，推进剂雾化蒸发需求长度变长。

图4 燃烧条件下MMH/NTO的雾场阴影 图像(Vf =35 m/s)Fig.4 Spray shadow image of MMH/NTO in hot-fire test(Vf=35 m/s)

图5 燃烧条件下NTO/MMH的雾场 阴影均值图像Fig.5 Mean value images of MMH/NTO spray shadow in hot-fire test

2.2 燃烧火焰

2.2.1 着火过程

定义初始观察到火焰自然发光的位置为着火位置，得到着火位置与燃料射流速度的关系如图6所示，其中白色方框表示喷嘴位置。从图6中可以看出，燃料射流速度为23 m/s，28 m/s时，MMH/NTO着火点距离喷注面的最短距离相当，均为8.6 mm，当燃料射流速度增大到35 m/s，45 m/s后，着火点距离喷嘴面的距离增加到12.1 mm，说明随着射流速度增大，着火点距离喷注面的距离增大，推断与图6中喷射雾化区长度增大相关。同时从图5中可以看出，不同工况下的着火位置具有一定随机性，图6(a)位于喷注面正下方，而图6(b)～图6(d)则位于喷注面斜下方。不同射流速度下着火时初始观察到的火焰自发光的面积也不相等，存在多点或多区域同时着火的情况，如图6(c)所示，其主要原因是着火首先发生在各参数最有利于着火的位置，该位置对推进剂雾化、蒸发、混合及环境条件均较敏感，具有一定随机性，可能存在一片区域同时满足着火条件的情况，当然这也可能与相机拍摄速率及光圈大小相关，未能及时观察到真正着火点。

图6 着火位置图像Fig.6 Grayscale images of ignition position

图7给出了燃料射流速度为28 m/s时MMH/NTO的着火过程图像，从图7中可以看出，该工况下MMH/NTO撞击后在喷注面下游轴向8.6 mm处自燃着火后，火焰向上游及下游快速发展，最终火焰向上紧贴喷注面，向下发展出可视区域，之后火焰形态基本保持稳定。

图7 着火过程图像(Vf =28 m/s)Fig.7 Images of ignition process( Vf =28 m/s )

图8给出了火焰前锋面与喷注面轴向距离和燃料喷射速度的关系曲线，其中火焰前锋面与喷注面轴向距离L的定义如图7所示。

图8 火焰前锋面与喷注面距离Fig.8 Axial distance from injector face to flame front

从图8可以看出，当燃料射流速度为23 m/s时，火焰前锋面发展到视窗末端需要15 ms，火焰平均传播速度为5.3 m/s。随着燃料射流速度增加，火焰前锋面发展到视窗末端需求时间缩短，火焰传播速度增大，当燃料射流速度为28 m/s时，火焰前锋面发展到视窗末端需要7 ms，火焰平均传播速度为11.4 m/s，当燃料射流速度为35 m/s时，火焰前锋面发展到视窗末端需要4.3 s，火焰平均传播速度为18.6 m/s，当射流速度为45 m/s时，火焰前锋面发展到视窗末端只需要3 ms，火焰平均传播速度为26.7 m/s。故可以看出，火焰传播速度与燃料射流速度呈正比，燃料射流速度越大，着火时火焰传播速度越快。

2.2.2 稳态火焰

通过对200张稳态火焰自然发光图像进行算术平均得到的MMH/NTO火焰时均伪彩图像如图9所示。从图中9可以看出，根据亮度划分，MMH/NTO火焰可分为外层火焰、内层火焰及焰心3个区域，其中外层火焰颜色与背景相似，考虑到推进剂撞击后由内向外扩散，外层推进剂密度较低，可以认为该区域化学反应较弱，MMH/NTO化学反应主要发生在青黄色内层火焰或及红色焰心区域。从图10中可以看出，红色中心区域火焰亮度最高，因为火焰亮度与含碳量及温度均正相关。从图10瞬时图像可以看出，当燃料喷射速度为23 m/s时，图中可观察到大量白色饱和亮点，可以认为这是大液滴或液滴群在高温下灼烧发出的白光，其发光强度远大于气相化学反应发光强度，出现亮度饱和，故可以认为图9中红色区域是大液滴或液滴群集中区域，亮度主要来自含碳大液滴或液滴群高温下灼烧发光。而随着燃料射流速度增加，从图10可以看出，火焰内部白色饱和亮点减少，说明大液滴或液滴群数量减少，导致火焰亮度降低，燃料喷射速度从23 m/s增加到35 m/s时，图中红色区域的亮度及面积变小，火焰整体亮度变低，但当燃料喷射速度增加到45 m/s时，图9中红色区域面积再次变大，因为此时图10中基本观察不到燃烧的液滴或液滴群，可以推断造成亮度饱和的主要原因是气相化学反应加剧，温度升高，反应生成的光量子更多。

图9 NTO/MMH稳态燃烧的火焰时均图像(伪彩图)Fig.9 Natural flame mean value images of MMH/NTO(pseudo-color-image)

图10 NTO/MMH稳态燃烧的火焰瞬时图像Fig.10 Natural flame instantaneous images of MMH/NTO

从图9可以看出，焰心区域上游中心均存在一个凹腔，与图5中扇形喷射雾化区对应，定义撞击点到凹腔底端距离为反应长度[11]，定义内层火焰张角为火焰张角，如图9所示，其中撞击点到喷注面距离通过图5计算。得到不同燃料射流速度下的反应长度及火焰张角如图11和图12所示。从图11可以看出，MMH/NTO反应长度随燃料喷射速度增加而增加，与喷射雾化区长度变化趋势相同，但反应长度数值大于图5喷射雾化区长度。从图12可以看出，火焰张角同样随燃料喷射速度增加而增加，与喷射雾化区张角变化趋势相同，但火焰张角小于喷射雾化区张角，故可以看出，MMH/NTO火焰形态与喷射雾化区形态存在一定关联。

图11 反应长度与燃料喷射速度关系Fig.11 Induction length in different fuel jet velocity

图12 火焰张角与燃料喷射速度关系Fig.12 Flame angle in different fuel jet velocity

3 结论

本文开展了MMH/NTO自燃推进剂喷雾燃烧过程光学观测，获取了燃烧条件下的雾场及火焰自然发光，得到以下结论：

1)燃烧条件下，MMH/NTO液相主要集中在喷注面附近的喷射雾化区，其面积随燃料射流速度增大而增大。

2)MMH/NTO着火点距离喷注面距离及着火过程火焰传播速度随燃料喷射速度增大而增大。

3)按照亮度划分，MMH/NTO火焰分为外层火焰、内层火焰及焰心，焰心面积及亮度随燃料喷射速度先减小后增大，主要原因是低速情况下火焰发光度主要来自大液滴或液滴群燃烧，而高速情况下火焰发光亮度主要来自气相反应化学发光。

4)MMH/NTO反应长度及火焰张角随燃料喷射速度增加而增大，与喷射雾化区随燃料喷射速度变化趋势一致。