壓力對離心式噴注器霧化特性影響的試驗研究

石召新，毛曉芳

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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壓力對離心式噴注器霧化特性影響的試驗研究

石召新，毛曉芳

(北京控制工程研究所，北京 100190)

針對不同入口壓力對噴注器霧化特性的影響的問題，對某一雙組元姿控推力器的離心式噴注器進行大氣環(huán)境下不同入口壓力的霧化試驗.高速攝影試驗對噴注器霧化形成過程進行了拍照與分析，PDA試驗對噴注器穩(wěn)態(tài)工作時的霧化特性進行了測量與分析，并對試驗結(jié)果進行了擬合計算.試驗結(jié)果表明該噴注器有良好的霧化性能，入口壓力的增加使得噴霧場可以更加快速的形成和穩(wěn)定，霧化錐角變大，霧化質(zhì)量更好，但是變化趨勢隨壓力增大而減緩；計算得到的關(guān)系式可預(yù)測該噴注器不同工況下液滴的索太爾平均直徑，對噴注器優(yōu)化設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義.

雙組元離心式噴注器；噴霧特性；三維粒子動態(tài)分析；高速攝影

0 引 言

隨著航天科技的發(fā)展，新一代大型、長壽命衛(wèi)星對雙組元姿控推力器的穩(wěn)態(tài)及脈沖工作性能提出了更高的要求.液體火箭發(fā)動機工作過程涉及到流動、霧化、燃燒及傳熱等多個過程.推進劑霧化是直接影響推力器比沖、可靠性與壽命的關(guān)鍵過程[1].噴注器是液體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，是進行推進劑流量控制和霧化的單元.同軸離心式噴注器以其良好的霧化性能和穩(wěn)定性在不同推力量級的液體火箭發(fā)動機中得以廣泛應(yīng)用[2].為提高發(fā)動機的工作性能，通常需要對噴注器進行良好設(shè)計，尤其要對噴注器的霧化性能進行詳細的研究.

本文通過高速攝影和三維粒子動態(tài)分析儀(PDA,particle dynamic analyzer)對某10 N姿控推力器的雙組元離心式噴注器的霧化特性進行了大氣環(huán)境下不同入口壓力下的冷試試驗，研究了噴霧形成的瞬態(tài)過程及穩(wěn)態(tài)工作時噴霧的錐角、當(dāng)量角、軸向速度、切向速度、數(shù)密度以及液滴索太爾平均直徑(D32)等物理量隨入口壓力變化的變化規(guī)律.

1 試驗方法與原理

1.1 噴注器簡介

本文研究對象為某10 N姿控推力器的雙組元離心式噴注器，采用雙旋渦離心噴嘴結(jié)構(gòu)，圖1為該結(jié)構(gòu)簡圖[3].噴注器工作時，液滴在噴注器內(nèi)部經(jīng)過旋流槽后進入集液腔內(nèi)，依靠噴注器內(nèi)外壓力差將液體壓出噴口，由于離心力的作用，液體射流形成很薄的錐狀液膜，射流運動過程中，受空氣動力，表面張力等作用影響，破碎形成液滴.雙旋渦離心噴嘴結(jié)構(gòu)具有霧化效果好，噴霧場分布均勻，以及便于在燃燒室壁面組織液膜冷卻等優(yōu)點.

圖1 雙組元離心噴注器簡圖Fig.1 Bi-centrifugal swirl injector

1.2 試驗系統(tǒng)與試驗方法

試驗在小流量噴霧臺上進行.氧化劑和燃燒劑使用去離子水當(dāng)模擬液，高壓氮氣供給.為了研究不同入口壓力時噴注器的動態(tài)響應(yīng)過程，采用高速攝影裝置對霧化形成過程進行了拍攝.高速攝影使用Optronis公司的CR450×2高速攝影儀，曝光速率選取1 kHz，圖片分辨率為512×512像素.對噴注器在0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa入口壓力下的霧化形成過程進行拍攝.

PDA系統(tǒng)測量原理如圖2所示，使用氬離子激光器做激光光源，發(fā)出的激光經(jīng)分光器分光和頻移，由發(fā)送器發(fā)出，激光聚焦于一點，假定已知入射光波長λ、兩束激光夾角θ，粒子通過相干的激光形成的測量體時，測量點激光發(fā)生干涉，干涉條紋間距是df

(1)

當(dāng)粒子以速度U垂直穿越測量點時會產(chǎn)生散射光，散射光的頻率fD和粒子穿越測量的點垂直速度U成正比

(2)

光電接收器接收信號，得到相應(yīng)的多普勒頻率，進而可以測得粒子的速度.將發(fā)射器和探測器數(shù)量增加，可以測得多方向的速度，不同探測器接收信號的多普勒頻差相同，但相位不同，相位差正比于粒子直徑，這就是PDA的測量粒子直徑的原理[4].

圖2 PDA試驗原理圖Fig.2 Sketch of PDA

試驗對0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa噴射壓力下噴注器霧化結(jié)果進行測量.PDA只能測量粒子狀態(tài)的物理信息，因此不能測量液膜區(qū)域的物理量，射流噴出形成液膜，液膜破碎最終形成液滴，其分界線大約在噴注器出口下游4 mm左右，因此試驗選取的測量位置位于噴注器出口下游4 mm，7 mm，10 mm三個垂直于噴霧場軸線的截面.

2 噴注器動態(tài)響應(yīng)分析

圖3～5列出了噴注器外路在入口壓力分別為0.4 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa時的霧化形成過程.從圖中可以看出，啟噴后，沒有形成旋流，因此噴出后霧化質(zhì)量較差.一段時間后，液體經(jīng)旋流槽后再被噴出，此時液體具有周向速度，噴出后形成錐狀液膜.液膜表面形成表面波紋，波紋振幅逐漸增大，液膜表面破碎形成液滴.啟噴初期霧化錐角較小，霧化質(zhì)量較差，啟噴3 ms后霧化錐角均達到穩(wěn)定狀態(tài).

比較不同壓力下的霧化過程，可以看出，隨著噴射壓力的增加，霧錐的形成速度更快，噴注入口壓力為0.4 MPa的工況下，t=0.5 ms時液體剛剛噴出，而入口壓力為0.8 MPa的工況下，t=0.5 ms時已經(jīng)可以看到液膜錐的形成.隨著噴射壓力的增加，射流張角變大，破碎距離減小.圖3中，t=4.0 ms圖片可以到破碎后有一些深色的區(qū)域，原因是入口壓力較小，射流速度小，噴霧前端存在噴射初期形成的大顆粒低速液滴，其造成的液滴碰撞粘合導(dǎo)致噴霧前端霧化質(zhì)量惡化.對破碎后的區(qū)域灰度直方圖分析可以得出，入口壓力更大時，液膜破碎后的區(qū)域灰度分布更均勻，表示霧化粒子尺寸更均勻.

圖3 入口壓力0.4 MPa時外路霧化過程Fig.3 Outer atomization at 0.4 MPa

圖4 入口壓力0.6 MPa時外路霧化過程Fig.4 Outer atomization at 0.6 MPa

圖5 入口壓力0.8 MPa時外路霧化過程Fig.5 Outer atomization at 0.8 MPa

3 噴注器穩(wěn)態(tài)噴霧特性

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)PDA結(jié)果可以繪制液滴速度、直徑等物理量的分布圖.這里選取了噴注器外路0.5 MPa和0.8 MPa 入口壓力時出口下游4 mm處的一些霧化特性的物理量的分布圖.

圖6～7是入口壓力為0.5 MPa和0.8 MPa時出口下游4 mm處噴注器外路液滴的速度沿X軸的分布圖，液滴軸向速度在霧錐邊緣處較大，中心和外圍較小.霧錐中心甚至出現(xiàn)負速度，這是離心式噴注器噴霧的特點，其原因是由于噴注器旋流器作用，頭部流場出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，在中心和外圍處回流作用較為明顯，中心處粒子由于粒徑非常小，隨著噴霧張角大，更容易被回流所裹挾而形成負速度粒子.文獻[5]稱其受影響程度隨供水壓力的增加而增大.圖6～7顯示液滴軸向速度與切向速度均隨入口壓力的增大而增大.切向速度影響液滴受離心力的大小，因此在入口壓力大時霧錐錐角有變大的趨勢.

圖8是噴注器外路的粒子數(shù)沿X軸方向分布圖.圖形呈馬鞍形，粒子數(shù)的峰值處即對應(yīng)實際霧錐的邊緣.從外路分布圖中可以看出，峰值的位置隨壓力的增大向外移動.粒子數(shù)相同時，入口壓力較大的曲線上點的位置離中心軸更遠.可以認為隨著壓力的增大，霧化錐角有變大的趨勢.

圖6 外路液滴軸向速度分布圖Fig.6 Axial velocities of outer sprays

圖7 外路液滴切向速度分布圖Fig.7 Tangential velocities of outer sprays

圖8 外路液滴數(shù)密度分布圖Fig.8 Droplets counts of outer sprays

圖9是霧化液滴的D32沿X軸方向分布圖.離心式噴注器霧化場中心，即軸線處的液滴D32較小.隨著噴射入口壓力的增加，霧錐中心的D32有所降低.整體而言，0.8 MPa時除霧錐中心處，各個點的D32分布較為均勻.表示入口壓力增大使得噴注器外路液滴直徑分布變得更加均勻.

圖9 外路液滴D32分布圖Fig.9 D32 of outer sprays

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

入口壓力的變化使得噴注器流量隨之改變，速度變化.壓力由0.5 MPa增至0.8 MPa，4 mm處外路液滴軸向速度峰值由3.10 m/s增至4.46 m/s，增大了43%；內(nèi)路液滴變化量相對較小.僅增大了15%.切向速度外路增大33%，內(nèi)路增大24%.

PDA測量的D32是各個點的統(tǒng)計平均值，若想得到整個噴霧場的D32，需要進行轉(zhuǎn)換，文獻[6]給出了轉(zhuǎn)換公式

(3)

式中cxi為每條線上第i個測點處的液滴數(shù)量密度.

表1為根據(jù)公式計算的噴注器外路和內(nèi)路在不同入口壓力工況下三個截面處的D32.表1顯示出噴注器內(nèi)外路噴霧場中不同截面D32均隨噴射壓力的增大而減小.由于卷吸效應(yīng)，下游小尺寸霧滴也會回流到上游，從而導(dǎo)致上游測量得到的液霧粒徑偏小；同時下游小液滴會聚合形成較大的液滴，最終導(dǎo)致測量得到的液霧的D32隨軸向尺寸的增大而變大.在不同入口壓力下，D32均隨軸向距離的增加而略有增大，說明液滴在這個區(qū)域內(nèi)運動的過程中，相比于二次霧化破碎，液滴聚合導(dǎo)致液滴尺寸增大對平均粒徑的影響更大.噴注入口壓力增大的過程中，液滴聚合導(dǎo)致D32增大的速率逐漸減小.原因是液滴運動速度的增加，減緩了液滴的聚合現(xiàn)象.

表1 各截面索太爾平均直徑

霧化當(dāng)量角不同于霧化錐角，它是考慮了液滴質(zhì)量通量的錐角計算，描述了霧化錐角內(nèi)部液滴分布的均勻性.霧化當(dāng)量角φ的計算表達式為

(4)

式中，θ表示霧化錐角弧度制的角度，yi是相應(yīng)位置采樣得到的液滴總體積[7].

圖10 霧化當(dāng)量角Fig.10 Equivalent cone

圖10顯示外路當(dāng)量角略大于內(nèi)路，噴注入口壓力增大時，變化趨勢與霧化錐角一致：逐漸增大.霧化錐角與當(dāng)量角都是表征霧化液滴分散情況的，液滴所受離心作用的大小與液滴切向速度的平方成正比，因此，引起霧化錐角與霧化當(dāng)量角變化的根本原因是液滴切向速度的變化.試驗結(jié)果顯示外路切向速度相較于內(nèi)路更大，因此外路霧化錐角和當(dāng)量角均大于內(nèi)路.隨著入口壓力的增大，切向速度增大，且外路增大較為明顯，因此霧化錐角和當(dāng)量角的變化也更大.

3.3D32擬合關(guān)系式

研究表明，噴霧的D32和We，Re，Q等無量綱參數(shù)存在一些相關(guān)關(guān)系

D32/d0=AQaKbRcWd

(5)

最終取c=-0.02，d=-0.198 9，得到擬合關(guān)系式

(6)

圖11 D32與噴注器出口流速的非線性擬合Fig.11 Nonlinear fitting curve of D32 and velocity of flow

將擬合數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果對比，最大誤差為2.98%，該擬合關(guān)系式可以用于此噴注器內(nèi)外路不同壓力和流速的D32的預(yù)測.

4 結(jié) 論

本文采用了三維粒子動態(tài)分析儀與高速攝影儀對某雙組元離心式噴注器內(nèi)外路噴嘴在不同噴射壓力下的霧化特性進行了試驗研究，使用去離子水作為推進劑的模擬工質(zhì)，試驗得到了內(nèi)外兩路霧化形成過程，霧化錐角，液滴三維速度及液滴尺寸分布隨著噴射壓力增大的變化規(guī)律.

(1)隨著噴射壓力的增加，射流錐角與當(dāng)量角均增大，但增長趨勢逐漸變緩，壓力增高到一定數(shù)值時，角度變化不明顯；

(2)噴射壓力的變大使得液滴的D32變小，且液滴尺寸分布更均勻，霧化質(zhì)量更好；

(3)隨著噴射壓力的增加，使得噴注器的動態(tài)響應(yīng)速度變快，這對噴注器脈沖工況下的霧化是有一定積極作用的；

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Experimental Investigations on Atomization Characteristics ofBi-Centrifugal Pressure Swirl Injector

SHI Zhaoxin， MAO Xiaofang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190， China)

To investigate the relationship between the inject pressure and the spray atomization characteristics, a series tests are taken on a bi-centrifugal swirl injector, which works in different injection pressures. The generation and evolution process of the spray are experimentally studied by high-speed photography trials. And the PDA (Phase Doppler Anemometry) tests focus on the stable spray characteristics. On the basis of the experimental results, an equation is developed via nonlinear fitting calculation. The test results show that the injector has good atomization characteristics. Increasing injection pressure makes the spray form more quickly and the spray cone angle becomes larger. The equation can use for predicting theD32of this bi-centrifugal swirl injector in different situations, which could provide data for designer.

bi-centrifugal swirl injector; atomization characteristics; PDA; high-speed photography

2015-04-21

V231.3

A

1674-1579(2015)06-0052-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.06.010

石召新(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為航天器推進；毛曉芳(1971—)，女，研究員，研究方向為航天器推進技術(shù).