聲振蕩作用下推進劑鋁顆粒團聚特性實驗研究①

袁 江,袁 嵩,劉洪城,金秉寧*,劉佩進

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室,西安 710072;2.海軍裝備部,西安 710025;3.中國航天科技集團有限公司四院四十一所,西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定問題主要表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)壓強以固有頻率做周期性的振蕩[1-4]。這種壓強振蕩通常會導(dǎo)致發(fā)動機工作異?；蛘咭鸶鼮閲乐氐暮蠊?。根據(jù)線性穩(wěn)定性預(yù)估理論[5],壓強振蕩由聲能增益和阻尼共同決定,其中增益因素包括壓強耦合、速度耦合、分布式燃燒等;阻尼因素包括噴管阻尼、粒子阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼等。其中,分布式燃燒和粒子阻尼都與推進劑中金屬鋁顆粒燃燒有較大的關(guān)系。研究表明[6],大部分金屬顆粒在燃燒表面快速燃燒形成大量的凝相燃燒產(chǎn)物,這種凝相產(chǎn)物粒徑分布從幾微米至幾十微米不等,對發(fā)動機中低頻振蕩有較強的阻尼作用;另一部分金屬鋁顆粒在推進劑燃燒表面經(jīng)過累積、聚集、團聚、融合以及二次融合[7-9]等過程形成十幾微米至幾百微米的團聚顆粒。該部分顆粒在推進劑表面并未燃燒完全,隨著燃氣流的作用離開燃燒表面進入流場中繼續(xù)燃燒并與聲振蕩耦合產(chǎn)生分布式燃燒,對振蕩產(chǎn)生增益作用。然而,這些問題的研究似乎都是先在穩(wěn)態(tài)條件下獲得推進劑燃燒表面的鋁團聚燃燒特性,之后再與聲振蕩耦合形成增益和阻尼作用。從而忽略了聲振蕩在推進劑燃燒表面與鋁顆粒動態(tài)燃燒的作用。研究發(fā)現(xiàn)[10-12],聲振蕩對推進劑燃燒表面鋁燃燒過程有較大影響,可以改變鋁顆粒在推進劑表面團聚過程。因此,開展聲振蕩對推進劑燃燒表面鋁顆粒燃燒及團聚特性的研究,對于深入認識鋁在燃燒不穩(wěn)定中的影響機制有著重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對振蕩環(huán)境下鋁的燃燒進行了研究。理論研究方面,GALLIER[13-14]等采用數(shù)值模擬的方法研究了鋁粉顆粒分布燃燒對燃燒不穩(wěn)定性的增益作用,認為聲邊界層的厚度以及鋁燃燒釋放的反應(yīng)熱共同決定不穩(wěn)定性,并提出了鋁的分布式燃燒與聲能耦合的機制。實驗方面,李軍偉等[16]研究了振蕩頻率對鋁粉的燃燒特性和產(chǎn)物阻尼特性的影響,楊天昊[10]基于脈沖激勵裝置開展了振蕩環(huán)境下推進劑燃燒細觀實驗研究,發(fā)現(xiàn)振蕩環(huán)境下NEPE推進劑的表面團聚比穩(wěn)態(tài)條件下更加劇烈;KATHIRAVAN[11]等認為聲振蕩影響了鋁顆粒燃燒的動力學(xué)過程和團聚過程,進而改變了推進劑的平均燃速。這些研究表明,聲振蕩與鋁的燃燒存在相互作用,但缺少對聲振蕩下鋁團聚特性的微觀研究,尚無法為固體火箭發(fā)動機穩(wěn)定性預(yù)示提供確切的粒徑分布和邊界條件。因此,需要發(fā)展更為精細化的聲振蕩作用下鋁顆粒團聚特性實驗測量方法,揭示聲振蕩對鋁團聚顆粒的作用機理及影響規(guī)律。

本文旨在開展聲振蕩作用下推進劑鋁顆粒團聚特性實驗研究,獲得非線性壓強振蕩對推進劑燃燒表面鋁顆粒團聚特性的影響規(guī)律。針對含鋁固體復(fù)合推進劑,建立了聲振蕩作用下鋁顆粒團聚特性實驗測量裝置和方法,在聲振蕩作用下對含鋁復(fù)合推進劑燃燒表面及其近表面空間范圍(0～3 mm)內(nèi)的鋁團聚特性進行了診斷測量,獲得了壓強振蕩對推進劑燃燒表面鋁燃燒顆粒團聚特性的影響規(guī)律。為進一步探究聲振蕩作用下鋁顆粒燃燒對燃燒不穩(wěn)定的增益和阻尼影響提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗系統(tǒng)和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

本文為開展聲振蕩作用下的鋁顆粒團聚特性實驗研究,首先需要建立振蕩環(huán)境構(gòu)造裝置,為了同時滿足振蕩頻率、幅值以及持續(xù)時間的要求,本文用揚聲器來構(gòu)造振蕩環(huán)境,為了模擬壓強振蕩,采用雙揚聲器分別布置在推進劑兩側(cè),產(chǎn)生兩路相同頻率的聲波,可通過控制兩路聲波的相位差來調(diào)整振蕩幅值的大小,當兩路聲波疊加時產(chǎn)生的振蕩幅值最大。本文搭建的系統(tǒng)能夠構(gòu)造頻率范圍為0～1000 Hz,幅值可達500 Pa的振蕩環(huán)境。傳統(tǒng)的鋁顆粒燃燒診斷方法如產(chǎn)物粒子收集法無法獲得鋁顆粒燃燒過程中的動態(tài)信息,本文設(shè)計了光學(xué)診斷方法對推進劑燃燒表面及其近表面的鋁團聚顆粒進行診斷測量。實驗系統(tǒng)由聲振蕩系統(tǒng)和光學(xué)診斷系統(tǒng)兩部分組成,實驗系統(tǒng)如圖1(a)所示。聲振蕩作用方向與診斷系統(tǒng)光路方向垂直。

光學(xué)測量采用兩種方法,一種是數(shù)字全息測量,用于測量推進劑燃燒過程中的顆粒粒徑信息;另一種是高速顯微直接成像法,用于記錄燃燒過程中顆粒的微觀形貌和火焰結(jié)構(gòu)。利用同步觸發(fā)器對兩路相機采集進行同步,Cam 1和Cam 2為Lavision公司Phantom超高速系列相機,二者在相同的分辨率(1280×1024)和采樣率(fs=4000)下采集,系統(tǒng)時間分辨率為0.25 ms。將推進劑試件固定在夾具上,調(diào)整推進劑試件的位置,使其位于視場中央;調(diào)整相機位置,使用Cam 2處于在焦狀態(tài),Cam 1處于離焦狀態(tài);設(shè)置分辨率、曝光時間等參數(shù);打開聲振蕩系統(tǒng),設(shè)置振蕩頻率和幅值;推進劑點火,同時同步觸發(fā)器開始采集數(shù)據(jù)。通過標定,光學(xué)診斷系統(tǒng)放大倍數(shù)約2.1倍,實際像元尺寸為4.8 μm,由于識別圓形顆粒至少需要3×3個像素,故系統(tǒng)的最小空間分辨率為14.3 μm。因此,本文中小于15 μm的顆粒不計入粒徑統(tǒng)計范圍。

1.2 實驗分析方法

利用建立的診斷系統(tǒng)和方法開展實驗測量,對聲振蕩作用下的推進劑燃燒過程進行拍攝,獲得的結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為高速直接成像結(jié)果,可觀測到顆粒的微觀形貌,但有部分顆粒處于離焦狀態(tài);圖2(b)為原始全息圖像,可以記錄高速直接結(jié)果中離焦顆粒的信息,本文將兩種方法進行同步采集,可在單次實驗獲得更多有效信息。通過文獻[21]和[24]中全息圖像的處理方法獲得重建、融合后的圖像,用文獻[22]中的顆粒識別算法對融合后的全息圖像進行顆粒自動識別,最后用邊緣檢測算法對顆粒邊緣進行提取,最終獲得顆粒的位置信息和粒徑,如圖2(c)所示。本文旨在研究聲振蕩環(huán)境對鋁團聚顆粒在燃面及其近燃面的動態(tài)行為和團聚特性,因此,聚焦在燃面上方及距離燃面0～3 mm范圍內(nèi)的顆粒。

(a)Results of high-speed photography (b)Raw hologram (c)Particle size identification results

1.3 實驗工況及參數(shù)

實驗所用推進劑為丁羥四組元推進劑,其中鋁粉初始平均粒徑約29 μm,含量約為18%;AP含量約為59%,RDX含量約為10%。推進劑樣本為長方體狀,尺寸為10 mm×10 mm×20 mm。分別在無振蕩、振蕩頻率f=～340 Hz的聲振蕩作用下開展了鋁顆粒團聚特性實驗測量,產(chǎn)生的振蕩幅值約為250 Pa。

2 實驗內(nèi)容及結(jié)果

2.1 典型實驗結(jié)果

圖3為非振蕩作用下鋁顆粒燃燒火焰結(jié)果,火焰方向與顆粒運動速度方向一致,整個過程中無擺動。

圖3 非振蕩環(huán)境下顆粒火焰

圖4(a)中標注的顆粒為340 Hz聲振蕩作用下鋁顆粒(粒徑約為200 μm),其氧化帽和火焰結(jié)構(gòu)清晰可見,該時刻的火焰方向為豎直方向,對該顆粒的火焰擺動情況進行追蹤,記圖4(a)為起始時刻,圖4(b)～(e)火焰先向右擺動,圖4(f)時刻,火焰回到豎直位置,火焰尾部呈明顯彎曲,此后向左擺動;如圖4(h)所示,火焰回到豎直位置,可認為圖4(a)～(h)為一個周期,共經(jīng)歷T=12 Δt,Δt=0.25 ms,T=3 ms,故該鋁顆?；鹧鏀[動頻率為1/T= 333 Hz,與實驗輸入頻率340 Hz基本一致,誤差約為2%。燃面上方的顆?；鹧嬉矔诼曊袷幾饔孟鲁尸F(xiàn)周期性擺動,由于燃面上的顆粒受到連粘附力較大,火焰根部固定不動,火焰尾部易發(fā)生擺動,彎曲程度更大,擺動過程中火焰對顆粒有“拉扯”力,當擴散火焰受振蕩作用影響較大時,可能使燃面上的顆粒產(chǎn)生形變,與周圍小粒徑顆粒的團聚概率增大。

圖4 振蕩作用下火焰擺動(f=340 Hz)

與無振蕩環(huán)境不同,壓強振蕩以一定的振蕩頻率掃過火焰包絡(luò)層,使火焰發(fā)生周期性擺動,這表明振蕩環(huán)境改變了鋁顆粒燃燒火焰的方向,進而將改變?nèi)紵龍鰞?nèi)的溫度分布等。事實上,火焰根部(靠近燃面一端)受到推進劑燃面粘結(jié)劑和氧化鋁等作用,不易受到振蕩影響,火焰尾部(遠離燃面一端)在氣流中更易受到周期性振蕩的影響。但鋁顆粒燃燒火焰還受燃燒產(chǎn)生的氣流,顆粒自身運動特性以及環(huán)境的影響,關(guān)于更多鋁顆粒在聲振蕩作用下燃燒的火焰特征還有待進一步研究。

2.2 粒度分布結(jié)果

對原始全息圖像按照1.2節(jié)所述方法進行處理,獲得聲振蕩作用下鋁團聚顆粒的個數(shù)概率密度分布函數(shù)(N-PDF)和體積概率密度分布函數(shù)(V-PDF),采用文獻[11]所用方法對顆粒進行識別和粒徑表征,并與無振蕩環(huán)境結(jié)果做對比。在無振蕩下和340 Hz聲振蕩作用下分別統(tǒng)計了10243、9393個鋁顆粒及其團聚物,獲得粒度分布結(jié)果如圖5所示。其中,CDF(Cumulative distribution function)為累積分布函數(shù)。

(a)N-PDF (b)V-PDF

以上結(jié)果表明,鋁團聚顆粒的粒度分布在有無聲振蕩作用下存在顯著差異。從個數(shù)概率密度函數(shù)(N-PDF)來看,無聲振蕩作用下的粒度分布呈現(xiàn)三峰分布,分別在61、120、240 μm附近存在峰值,近50%的顆粒發(fā)生了團聚,且團聚集中在第一個峰值附近;聲振蕩作用下61 μm附近的顆粒占比減小,而后兩個峰值附近的顆粒占比增大;從體積概率密度函數(shù)(V-PDF)來看,粒度分布大致均呈現(xiàn)雙峰分布,峰值在120 μm和240 μm附近,聲振蕩作用下鋁團聚顆粒的體積分數(shù)約為總體積的97%,發(fā)生團聚行為的鋁顆粒個數(shù)占比和體積占比均增大。圖5(b)表明,在聲振蕩作用下40～260 μm的顆粒體積占比減少,同時300～600 μm的顆粒體積占比顯著增加,結(jié)合N-PDF結(jié)果,40～80 μm范圍內(nèi)的顆粒減少較多。分析原因,小尺度顆粒受聲場力的作用容易飛離燃面未產(chǎn)生團聚作用;而中等尺度(100～260 μm)的顆粒受聲場力的作用在燃燒表發(fā)生滾動、形變等行為,從而增加了團聚的作用。

為了進一步定量說明聲振蕩作用對鋁顆粒團聚的影響,對平均團聚粒徑和團聚分數(shù)進行計算:

(1)

(2)

式中Nagglom為團聚顆粒;N為所有顆粒;di為顆粒粒徑。

平均團聚粒徑和團聚分數(shù)計算結(jié)果如表1所示,相較于無振蕩環(huán)境,340 Hz聲振蕩作用下質(zhì)量平均粒徑增加了29%,平均團聚粒徑增加了27%,團聚分數(shù)增加了1.24%。因此,可認為340 Hz聲振蕩作用下促進了推進劑燃面及其近燃面范圍內(nèi)鋁顆粒的團聚。

表1 平均團聚粒徑和團聚分數(shù)結(jié)果

3 分析與討論

推進劑燃燒表面及其近燃面顆粒的粒度分布與鋁顆粒的燃燒過程緊密相關(guān),為了探究聲振蕩作用下粒度分布改變的原因,圍繞鋁的燃燒過程展開分析。

鋁顆粒在燃面處經(jīng)歷累積、聚集、團聚、融合、二次融合等過程后,脫離燃面,隨氣流運動[9]。由于鋁顆粒在燃面初始聚集時的粒徑通常小于截止粒徑Dcut,且發(fā)生聚集時顆粒數(shù)較多,難以觀察到聲振蕩作用下的明顯差異。故本文主要關(guān)注鋁團聚顆粒的團聚、融合過程。

3.1 振蕩對團聚過程的影響

如圖6所示,在振蕩作用下大顆粒粒徑產(chǎn)生形變,在t=0 ms時刻,顆粒產(chǎn)生橫向形變;在t=1 ms時刻,熔融態(tài)的鋁有阻礙形變的趨勢,在表面張力的作用下呈現(xiàn)出向內(nèi)收縮的狀態(tài);在t=10 ms時刻,鋁團聚顆粒在發(fā)生縱向形變的過程中,與周圍的小粒徑顆粒發(fā)生團聚,如圖6(ⅳ)所示,發(fā)生團聚后,顆粒的粒徑由534 μm增大到570 μm。

圖6 聲振蕩下的形變和團聚

如圖7所示,在團聚過程中,相鄰的鋁粒子燒結(jié)在一起,形成細絲(Filigrees),連接燃面與團聚顆粒,當顆粒粒徑較小時,細絲受振蕩作用在燃面擺動,在細絲擺動過程中,團聚附近顆粒的可能性增大。定義細絲與燃面的夾角為θ,在細絲擺動過程中,角度變化范圍為51°～124°。圖7中所示細絲在7.50 ms后斷裂,顆粒飛離燃面。

圖7 聲振蕩下的細絲

結(jié)合實驗結(jié)果分析聲場力對團聚過程的影響機制。如圖8(a)所示,鋁顆粒在燃面處聚集后,形成更大的鋁顆粒團聚物,團聚物受聲場力作用發(fā)生顯著形變,形變過程中會團聚周圍粒徑較小的鋁顆粒及熔融的氧化鋁。如圖8(b)所示,在聲振蕩作用下,鋁顆粒團聚物發(fā)生形變,氧化鋁和熔融鋁的結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化,團聚周圍小粒徑鋁的能力改變;由鋁和氧化鋁連結(jié)而成的鏈狀團聚物(Filigrees)發(fā)生形變或擺動,當與燃面的夾角較小時,可能與燃面上的顆粒發(fā)生團聚。

3.2 振蕩對融合過程的影響

燃面處形成的團聚物呈熔融態(tài),受燃面處氣流的推動可以在垂直于燃面的方向即脫離燃面或者在燃面上沿燃面水平方向運動。燃面處兩個或兩個以上的團聚物相互接觸會發(fā)生融合,從而形成更大尺寸的團聚物。典型的顆粒融合過程對比如圖9所示。

圖9(a)為粒徑分別為180 μm(左)和185 μm(右)的顆粒在非振蕩作用下的融合過程,兩個顆粒之間的距離逐漸減小,經(jīng)過11.75 ms融合。圖9(b)為相同粒徑尺度的顆粒在340 Hz聲振蕩作用下的融合過程,經(jīng)過5.25 ms融合。聲振蕩作用下顆粒之間的距離迅速減小,與非振蕩環(huán)境相比,相同粒徑尺度的顆粒融合的時間縮短。

(a)Mergence in non-oscillation

根據(jù)鋁團聚模型(口袋模型和隨機裝填[1]模型),當兩個顆粒之間的距離小于臨界距離可能會發(fā)生團聚,是否發(fā)生團聚受顆粒受到的水平作用力和垂直作用力影響。類似地,認為當兩個顆粒的距離極度趨近于0時,顆粒極有可能發(fā)生融合,而在燃面上方,水平作用力占主導(dǎo)地位。圖10為聲振蕩對鋁融合顆粒在燃面融合過程的作用過程示意圖,聲振蕩可能通過兩種模式影響顆粒的融合。

如圖10(a)所示,兩個粒徑較小的顆粒易受到壓強振蕩產(chǎn)生的作用力,在氧化鋁的環(huán)境中更容易具有相互靠近的趨勢,該過程將加速融合過程,結(jié)合圖5的粒度分布結(jié)果和圖9,100～260 μm范圍內(nèi)的顆粒發(fā)生此類現(xiàn)象的概率較大。如圖10(b)所示,大粒徑顆粒由于自身質(zhì)量較大,相對而言不易受到壓強振蕩的影響,但其附近的小顆粒在振蕩作用下更容易向大顆?？拷?最終被大顆?！巴淌伞倍l(fā)生融合。

(a)Model A

因此,振蕩對顆粒融合的影響存在兩種機制,為進一步說明聲振蕩作用下鋁團聚顆粒在燃面的翻滾等動態(tài)行為對鋁團聚顆粒融合的影響,對無振蕩和340 Hz聲振蕩作用下的高速成像結(jié)果中鋁團聚顆粒發(fā)生如圖9所示融合過程的概率進行了統(tǒng)計。一幀高速顯微成像圖像中包含清晰的顆粒數(shù)為5～15個,受圖像分辨率限制,僅對D大于截止粒徑[21]Dcut(61 μm)統(tǒng)計,由于發(fā)生多次融合的顆粒占少數(shù),故只關(guān)注顆粒發(fā)生一次融合的情況。同時,為避免重復(fù)統(tǒng)計,圖像間隔為20幀。無聲振蕩作用下發(fā)生鋁團聚顆粒占比40.9%,340 Hz聲振蕩作用下發(fā)生融合的鋁團聚顆粒占比55.4%,該結(jié)果表明聲振蕩通過改變鋁團聚顆粒間的距離,增大了鋁團聚顆粒融合的概率。

聲振蕩對粒度分布的改變不僅僅是通過影響顆粒團聚、融合過程,還與顆粒的二次融合有關(guān)。鋁顆粒在推進劑表面燃燒過程中可能發(fā)生二次融合現(xiàn)象,即三個距離相近的顆粒先后經(jīng)過兩次融合,最終形成大粒徑顆粒,聲振蕩對二次融合的影響不僅和顆粒粒徑大小有關(guān),還和顆粒之間的距離、顆粒所受燃面粘附力、氣相環(huán)境對顆粒的氣動力有關(guān),因此,聲振蕩對二次融合過程的影響較為復(fù)雜,還有待進一步研究。

4 結(jié)論

(1)本文建立的裝置和方法可用于聲振蕩作用下的鋁顆粒團聚特性實驗測量,獲得鋁團聚顆粒的微觀形貌變化、火焰結(jié)構(gòu)、粒徑分布。

(2)在340 Hz頻率的聲振蕩作用下,部分小粒徑(40～80 μm)顆粒易飛離燃面而不發(fā)生團聚,中等粒徑顆粒(100～260 μm)更容易團聚成更大粒徑(300～600 μm)的顆粒,從而改變粒度分布,促進推進劑燃面及其近燃面0～3 mm范圍內(nèi)鋁顆粒團聚。振蕩環(huán)境下質(zhì)量平均粒徑增加了29%,平均團聚粒徑增加了27%,團聚分數(shù)增加了1.24%。

(3)聲振蕩作用下,顆粒的火焰以振蕩頻率周期性擺動;推進劑燃燒表面鋁的團聚、融合等過程發(fā)生改變,鋁團聚顆粒團聚和融合的概率增大。

下一步,將改善實驗裝置和實驗條件,研究不同振蕩頻率以及更大振蕩幅值對鋁燃燒團聚特性的影響。