環(huán)境壓力對(duì)氣液針?biāo)ㄊ絿娮祆F化特性的影響

謝 遠(yuǎn),聶萬(wàn)勝,高玉超,蘇凌宇,仝毅恒

(航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系,北京 101416)

0 引言

當(dāng)前,可重復(fù)使用已成為液體動(dòng)力技術(shù)中的重要發(fā)展趨勢(shì)之一[1],大范圍變推力是實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的根本保障。針?biāo)ㄊ絿娮炀哂辛悴考?shù)量少、燃燒穩(wěn)定、深度變推力強(qiáng)、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)[2-3],是大范圍變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的首要選擇。美國(guó)Apollo計(jì)劃中采用的針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)LMDE達(dá)到了10∶1的推力調(diào)節(jié)能力[4]。近年來(lái),美國(guó)SpaceX公司同樣采用此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了火箭的多次回收[5]。針?biāo)ㄊ絿娮斓撵F化過(guò)程決定了下游燃料的摻混燃燒效率[6],因此,圍繞此類(lèi)問(wèn)題研究具有重要意義。

在這一方面,各國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了不少研究。王凱等發(fā)現(xiàn)針?biāo)ㄊ絿娮卧膰婌F場(chǎng)具有兩種不同的噴霧扇結(jié)構(gòu)[7]。方昕昕等得到了針?biāo)ㄊ絿娮旖Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)索太爾平均粒徑(Sauter mean diameter,SMD)、粒徑分布均勻度指數(shù)和霧化錐角的影響[8]。Son等發(fā)現(xiàn)動(dòng)量比和韋伯?dāng)?shù)對(duì)針?biāo)ㄊ絿娮斓膰婌F錐角影響顯著[9]。Kanmaniraja等用離散相模型(discrete phase model,DPM)研究了噴注條件以及幾何參數(shù)對(duì)針?biāo)▏娮祆F化的影響,但采用的霧化破碎模型不能捕捉到液膜破碎的過(guò)程[10]。文獻(xiàn)[11-12]采用VOF-to-DPM方法對(duì)燃?xì)鉁u輪噴油器內(nèi)燃料的霧化過(guò)程進(jìn)行了模擬,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可用于預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[13]采用數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)高壓環(huán)境對(duì)單組元推進(jìn)劑針?biāo)ㄊ絿娮斓膰婌F錐角和液滴粒徑影響明顯。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多是關(guān)于常壓環(huán)境下的氣液針?biāo)ㄊ絿娮祆F化特性,環(huán)境壓力對(duì)霧化特性具有明顯影響,然而更高環(huán)境壓力下的霧化特性缺乏足夠的研究?？紤]到氣液針?biāo)ㄊ絿娮斓墓ぷ鳝h(huán)境為高溫高壓,為深入研究高壓環(huán)境對(duì)氣液針?biāo)ㄊ絿娮祆F化特性的作用規(guī)律,自主設(shè)計(jì)了一套能夠提供穩(wěn)定環(huán)境壓力的霧化實(shí)驗(yàn)裝置,以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),并結(jié)合VOF-to-DPM數(shù)值計(jì)算模型對(duì)噴霧流場(chǎng)進(jìn)行深入分析。該研究為各種環(huán)境壓力下氣液針?biāo)ㄊ絿娮祆F化性能的研究和優(yōu)化提供了參考,具有一定的工程意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和計(jì)算方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和圖像處理

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣液針?biāo)ㄊ絿娮旖Y(jié)構(gòu)如圖1所示,具體尺寸見(jiàn)表1。液體從中間流道注入,形成的薄液膜被外流道的高速氣體撞擊,在強(qiáng)烈的氣液作用下液膜破碎為液滴。

表1 氣液針?biāo)ㄊ絿娮斓慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Dimensions of a gas-liquid pintle injector

圖1 氣液針?biāo)ㄊ絿娮旖Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of a gas-liquid pintle injector

圖2是環(huán)境壓力噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由供液管路、供氣管路、背壓罐、氣液針?biāo)ㄊ絿娮?、?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)組成。水和空氣分別用作液體推進(jìn)劑和加壓氣體。腔體的內(nèi)徑和總高度分別為 500 mm 和 1 700 mm,設(shè)計(jì)壓力為 8 MPa。3個(gè)直徑為 130 mm 的觀察窗分布在腔室周?chē)?。為了提高光學(xué)效果,使用氣態(tài)空氣吹掃系統(tǒng)來(lái)防止液滴在觀察窗上積聚。

圖2 不同環(huán)境壓力下的氣液針?biāo)ㄊ絿娮祆F化特性測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Measurement system of the gas-liquid pintle injector under ambient pressure

保持背壓罐內(nèi)壓力穩(wěn)定是獲得準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提,為了保證背壓罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定,在背壓罐的中下部位置裝有壓力傳感器控制的電磁閥門(mén),給壓力傳感器設(shè)定預(yù)期實(shí)驗(yàn)壓力值,壓力波動(dòng)范圍為壓力傳感器精度0.25%FS(250 Pa),當(dāng)背壓罐內(nèi)的壓力大于壓力設(shè)定值時(shí),壓力傳感器給電磁閥電信號(hào),打開(kāi)閥門(mén),排氣減壓至預(yù)期實(shí)驗(yàn)壓力值,此時(shí)壓力傳感器再次給電磁閥信號(hào)關(guān)閉閥門(mén),使得壓力動(dòng)態(tài)保持在預(yù)期實(shí)驗(yàn)壓力值范圍內(nèi)。在常壓條件下,電磁閥門(mén)保持常開(kāi)狀態(tài)。在壓力高于常壓時(shí),采用上述的穩(wěn)壓控制方式,在背壓為0.2 MPa時(shí),壓力精度為99.875%,完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求,并且隨著預(yù)期實(shí)驗(yàn)壓力值的提高,壓力精度會(huì)進(jìn)一步提高。

使用精度為0.25%FS的壓力傳感器(4730擴(kuò)散硅壓力傳感器)測(cè)量液體和氣體歧管中的壓力。使用渦輪流量計(jì)(LWGY)測(cè)量液體質(zhì)量流量,精度為1%FS。使用科里奧利流量計(jì)(MFC608)測(cè)量氣體質(zhì)量流量,精確度為0.5%FS。

為安全起見(jiàn),背壓罐裝有泄壓閥,其開(kāi)啟壓力設(shè)定為3 MPa。此外,在供氣和供液管路中同時(shí)使用電磁閥和手動(dòng)閥。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,手閥始終打開(kāi),僅在實(shí)驗(yàn)結(jié)束或緊急情況下關(guān)閉。

噴霧圖像是用高速攝影機(jī)采集的。為了獲得清晰的噴霧圖像,采用背光成像技術(shù)對(duì)瞬時(shí)噴霧圖像進(jìn)行成像;使用LED燈(scienploer light tech,HLS-30,最大功率250 W)照亮噴霧。相機(jī)分辨率為400×310像素,幀速率為40 000幀/s,曝光時(shí)間設(shè)置為1/120 482 s。

1.1.2 圖像處理過(guò)程

以往通常是直接采用量角器測(cè)量噴霧圖像的噴霧錐角[14],具有很強(qiáng)的主觀性,測(cè)量容易出現(xiàn)較大的誤差。在本研究中,使用文獻(xiàn)[15]提出的方法提取噴霧錐角。在噴嘴出口下游不同距離處取兩條直線(xiàn),測(cè)量?jī)蓷l直線(xiàn)上的噴霧寬度[見(jiàn)圖3(d)]。噴霧錐角的計(jì)算式為

圖3 噴霧錐角處理流程Fig.3 Image processing of spray cone angle

(1)

式中:b1、b2分別為兩條直線(xiàn)上的噴霧寬度;Δh為兩條直線(xiàn)的垂直距離;α為噴霧錐角。

具體方法為:首先對(duì)2 000幅圖像進(jìn)行時(shí)均處理,獲得圖3(b);然后基于Matlab平臺(tái)采用迭代計(jì)算,通過(guò)更改閾值分割算法的閾值,得到二值化圖像,如圖3(c)所示,確定噴霧區(qū)域邊界;采用式(1)確定噴霧錐角。

1.2 物理模型與計(jì)算方法

1.2.1 網(wǎng)格模型

采用商業(yè)軟件(ANSYS Fluent2022)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,圖 4顯示了用作針?biāo)ㄊ絿娮煊?jì)算域的六面體網(wǎng)格模型的示意圖。由于本研究中應(yīng)用的噴嘴具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),為了提高計(jì)算效率,選擇流場(chǎng)區(qū)域圓周方向的1/4作為計(jì)算域,并使用周期性網(wǎng)格。圖4所示噴嘴入口附近的放大結(jié)構(gòu),沿水和空氣入口進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格細(xì)化,網(wǎng)格數(shù)量為202 480。

圖4 三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.4 Three-dimensional sketch maps of the flow field mesh model

動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程分別采用非穩(wěn)態(tài)壓力求解器求解,湍流模型采用Realizablek-ε模型,密度采用理想氣體假設(shè)計(jì)算。采用二階迎風(fēng)法求解壓力-速度流場(chǎng),采用PISO算法。氣體入口的邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口。計(jì)算域的出口設(shè)置為壓力出口,即大氣壓值。其余壁假定為無(wú)滑移的絕熱條件?？紤]到測(cè)試期間的環(huán)境參數(shù),邊界條件的溫度設(shè)置為 288 K。

1.2.2 VOF-to-DPM模型

研究氣相中的液相分布時(shí),通常采用歐拉-拉格朗日方法和流體體積法(volume of fluid,VOF)方法[16-17]。在歐拉-拉格朗日方法中,忽略液滴引起的氣相體積置換,通過(guò)單個(gè)液滴的物理屬性來(lái)考慮離散相和連續(xù)相之間的質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分交換。計(jì)算網(wǎng)格可以比液滴尺寸大,因此計(jì)算成本相對(duì)較低。并且已有的破碎模型較多,可以相對(duì)準(zhǔn)確地模擬液滴的二次破碎。然而,由于在液滴密集的區(qū)域,忽略體積置換會(huì)影響計(jì)算精度,針?biāo)ㄊ絿娮斐隹诘囊旱慰臻g數(shù)量密度較大,因此可能會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。

在VOF方法中,液滴體積分?jǐn)?shù)存儲(chǔ)在每個(gè)單元中。氣液界面通過(guò)諸如幾何重構(gòu)等顯式離散方法進(jìn)行跟蹤。VOF模型的優(yōu)點(diǎn)是不需要處理界面分裂和聚合等物理現(xiàn)象,因?yàn)檫@些拓?fù)渥兓噪[式的形式包含在模型中。因此,VOF模型非常適合于液膜破裂和聚集的數(shù)值計(jì)算。在VOF 模型中,液相的體積分?jǐn)?shù)定義為αl,各相的體積分?jǐn)?shù)在每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格中總和為1。在目前的研究中,空氣和水分別是第一相和第二相。所以,在計(jì)算網(wǎng)格中,一共有3種情況:αl=0表示該網(wǎng)格內(nèi)充滿(mǎn)空氣;αl=1表示網(wǎng)格內(nèi)充滿(mǎn)水;0<αl<1表示網(wǎng)格內(nèi)存在兩相流體,故存在自由界面。

當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格中存在兩相流時(shí),通過(guò)求解連續(xù)方程實(shí)現(xiàn)氣液界面的追蹤,水的連續(xù)方程為

(2)

計(jì)算網(wǎng)格中控制體的空氣速度和液體速度是一致的。通過(guò)求解動(dòng)量方程獲得速度u,動(dòng)量方程為

(3)

(4)

式中:ρl和ρg分別為水和空氣密度;μl和μg分別為水和空氣的動(dòng)態(tài)黏度。

能量方程為

(5)

式中:keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);T和E分別為溫度和比能量。

VOF模型考慮氣液相間的體積置換,可以更好地預(yù)測(cè)液相破碎過(guò)程。然而VOF模型對(duì)網(wǎng)格分辨率要求較高,并且需要更小的時(shí)間步長(zhǎng),每個(gè)液滴周?chē)南噙吔绫仨毑捎帽纫旱芜€要細(xì)密的網(wǎng)格。因此VOF方法非常消耗計(jì)算資源。DPM模型可以采用較大的網(wǎng)格計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,但不能模擬液膜破碎為液滴的過(guò)程。

VOF-to-DPM模型[18-19]結(jié)合了上述兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)。在足夠精細(xì)的網(wǎng)格上,利用VOF模型模擬預(yù)測(cè)液膜初始破碎過(guò)程,而在噴霧稀疏區(qū)域利用DPM模型跟蹤液滴運(yùn)動(dòng)軌跡。VOF-to-DPM模型自動(dòng)探測(cè)脫離液相核心區(qū)域的液體,之后評(píng)估其是否適合進(jìn)行VOF-to-DPM轉(zhuǎn)換。若液體塊滿(mǎn)足設(shè)定的轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)(如塊大小和非球面度等),則從VOF模型中將該部分液相質(zhì)量去除,并在拉格朗日體系中將該部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為顆粒包。所有用于求解氣液界面的局部自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(如懸掛節(jié)點(diǎn))都會(huì)自動(dòng)恢復(fù),從而使拉格朗日粒子包可以被放置在單個(gè)大網(wǎng)格中。如果液體塊的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗化網(wǎng)格的體積,液體塊就會(huì)被轉(zhuǎn)換成盡可能多的拉格朗日粒子包。在本研究中,為了使液滴盡可能多地轉(zhuǎn)化為顆粒,設(shè)置最小體積當(dāng)量直徑為0 mm,最大體積當(dāng)量直徑為0.5 mm。標(biāo)準(zhǔn)化半徑標(biāo)準(zhǔn)差和平均半徑表面正交性均設(shè)為0.5。

1.2.3 網(wǎng)格自適應(yīng)方法

為提高計(jì)算精度,減小計(jì)算量,采用網(wǎng)格自適應(yīng)加密方法。每個(gè)時(shí)間步采用基于八叉樹(shù)的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(AMR)方法[20]對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行空間離散,壓力場(chǎng)通過(guò)求解壓力泊松方程,在不損失精度的條件下盡量減少計(jì)算量,顯著地提高計(jì)算速度。霧化過(guò)程中小尺度界面斷裂結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥兓梢员辉敿?xì)捕獲。采用網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化算法,可以根據(jù)流場(chǎng)參數(shù)的變化或界面位置的演變動(dòng)態(tài)地細(xì)化或粗化局部網(wǎng)格,有效減少網(wǎng)格計(jì)算量。

網(wǎng)格自適應(yīng)過(guò)程包括兩個(gè)方面:當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化條件滿(mǎn)足時(shí),網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化;當(dāng)不滿(mǎn)足細(xì)化條件時(shí),細(xì)化網(wǎng)格將恢復(fù)為大網(wǎng)格。網(wǎng)格自適應(yīng)方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是在不損失計(jì)算精度的前提下減少了計(jì)算量。在本研究中,自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化方法是基于液相與氣相交界處的梯度變化。改進(jìn)后的網(wǎng)格會(huì)隨著液相的移動(dòng)而移動(dòng),從而達(dá)到三級(jí)加密。

2 結(jié)果和討論

2.1 常壓環(huán)境下的噴霧特性

首先分析常壓(開(kāi)放環(huán)境)條件下的霧化特性,這一部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析了針?biāo)ㄊ絿娮靽婌F場(chǎng)的霧化錐角、速度分布、壓力分布、粒徑分布。

圖5為case(6,0)的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果,其中6表示氣體流量為6 g/s,0表示噴霧場(chǎng)的表壓力為0 MPa,本文的液體流量恒為60 g/s。

圖5 case(6,0)的噴霧圖像Fig.5 Spray images with case(6,0)

圖5(a)是在開(kāi)放環(huán)境中拍攝,圖像較為清晰,可以明顯看出破碎后的液滴,測(cè)得噴霧錐角為78°。圖5(b)是在背壓罐中進(jìn)行拍攝,由于部分液滴會(huì)噴濺到觀察窗上,因此圖像較為模糊,只能看到噴霧輪廓,測(cè)得噴霧角度為85.9°,不能測(cè)量液滴粒徑。圖5(c)是同樣工況下的仿真計(jì)算結(jié)果,可以清楚地看到液膜破碎過(guò)程和液滴分布,測(cè)得噴霧角度為82°。通過(guò)比較噴霧錐角,最大誤差小于5%。后文同時(shí)驗(yàn)證了液滴粒徑最大誤差小于10%,因此仿真結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地描述噴霧特性,可以根據(jù)仿真獲得更多的數(shù)據(jù)信息。

液膜破碎過(guò)程見(jiàn)圖6,模擬結(jié)果有效捕捉針?biāo)ㄊ絿娮煲耗げ▌?dòng)過(guò)程及整個(gè)破碎過(guò)程。液膜上游在氣動(dòng)力剪切作用下會(huì)產(chǎn)生微波擾動(dòng),擾動(dòng)波以環(huán)形波的形式出現(xiàn)。由于環(huán)形波的作用,液膜會(huì)脫落出環(huán)形液絲。液絲周?chē)奂∫旱?液絲在氣動(dòng)力作用下會(huì)進(jìn)一步破碎形成大量液滴,整體噴霧形態(tài)為錐形結(jié)構(gòu)。

圖6 case(6,0)的整體和局部放大噴霧圖像Fig.6 The overall and detailed spray shape of case(6,0)

圖7是速度云圖和流場(chǎng)圖。在液膜中心區(qū)域出現(xiàn)明顯的回流區(qū)?；亓鲄^(qū)的形成過(guò)程為:氣流沿著噴霧錐角噴射將整體流場(chǎng)大致分為外回流區(qū)和內(nèi)回流區(qū),氣流的噴射引起內(nèi)回流區(qū)的氣體自下向上運(yùn)動(dòng),在針?biāo)^部下方改變方向沿著氣流運(yùn)動(dòng),從而形成內(nèi)回流區(qū)。

圖7 case(6,0)的速度和流場(chǎng)云圖Fig.7 The velocity and streamline contour of case(6,0)

氣體與液體撞擊后,速度會(huì)從出口處的320 m/s迅速衰減為70 m/s左右,此過(guò)程氣體與液體存在摩擦和動(dòng)量交換,接觸面形成劇烈的渦旋結(jié)構(gòu),渦旋結(jié)構(gòu)向下游發(fā)展會(huì)導(dǎo)致液膜表面出現(xiàn)波動(dòng),液膜厚度會(huì)迅速減小,促進(jìn)液膜的破碎。采用渦量表示渦旋結(jié)構(gòu),如圖8所示(液相旁的黑線(xiàn)代表渦量)。

圖8 case(6,0)的yOz截面處水的體積分?jǐn)?shù)Fig.8 The water volume fraction distribution of yOz plane of case(6,0)

在圖7中的y軸方向做6條壓力數(shù)據(jù)采集線(xiàn)(依次記為line 1～line 6),壓力分布結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯鏊械膲毫η€(xiàn)都存在一個(gè)峰值(極大值),分別對(duì)應(yīng)圖中的A、B、C、D、E點(diǎn),其中由于line 6遠(yuǎn)離中心回流區(qū),因此line 6上的壓力變化不大。這些點(diǎn)是液滴主要集中的區(qū)域,氣體沖擊作用強(qiáng),因此存在一個(gè)壓力極大值?；亓鲄^(qū)的中心區(qū)域是一個(gè)低壓區(qū),可以明顯看出line 4和line 5穿過(guò)一個(gè)回流區(qū),導(dǎo)致壓力曲線(xiàn)上出現(xiàn)D1和E1兩個(gè)極小值點(diǎn)。line 1的壓力曲線(xiàn)存在一個(gè)極小值點(diǎn)A1,主要原因可能是上方氣體速度非常大,出口附近形成一個(gè)非常強(qiáng)的回流區(qū),導(dǎo)致在回流區(qū)的中心壓力很低。line 6經(jīng)過(guò)回流區(qū)的邊緣部分,因此內(nèi)外的壓力沒(méi)有明顯的區(qū)別,表明更下游的區(qū)域很難形成新的回流區(qū)。

圖9 沿x軸的壓力分布曲線(xiàn)Fig.9 Pressure distribution along the x-axis

為驗(yàn)證仿真對(duì)粒徑計(jì)算的準(zhǔn)確性,在開(kāi)放環(huán)境下使用激光粒度分析儀(Spraylink,Linkoptik)測(cè)量液滴粒徑并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在測(cè)量平面上[如圖5(a)所示],測(cè)量點(diǎn)沿y軸分布,彼此之間的距離為10 mm。對(duì)測(cè)量點(diǎn)的軸向半徑為5 mm的圓柱通道上的液滴進(jìn)行采集,獲得粒徑值。激光粒度分析儀在20 s內(nèi)收集了40組液滴數(shù)據(jù)。對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果在同樣的位置進(jìn)行分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 沿y軸的液滴粒徑分布Fig.10 Droplets diameter distribution along the y-axis

從圖10中可以明顯看出,液滴粒徑沿著下游方向在變大。在0～20 mm范圍,存在大量的較小粒徑的液滴。在20～60 mm區(qū)間,液滴粒徑增長(zhǎng)比較緩慢,穩(wěn)定在350 μm附近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果比較吻合,但越靠近下游誤差越大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果小于仿真結(jié)果,主要原因是下游的網(wǎng)格比較大,不能有效地捕捉小液滴,因此仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。最大誤差小于10%,因此仿真模擬可以較為精確地獲得液滴粒徑值。當(dāng)針?biāo)ㄊ絿娮煸诒硥汗拗袝r(shí),由于液滴在觀察窗口上聚集比較嚴(yán)重,無(wú)法采用激光粒度分析儀測(cè)量液滴粒徑,因此依靠仿真對(duì)大環(huán)境壓力條件下的液滴粒徑特性進(jìn)行分析。

圖11顯示了1/4區(qū)間的液滴的空間分布。紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別為液滴在yOz面和xOy面的投影,可以看出投影邊界比較規(guī)則?？梢远ㄐ缘乜闯鰢娮斐隹谔幍囊旱瘟奖容^小,并且數(shù)量較多,主要原因可能是剛從外流道出來(lái)的氣體速度較大,對(duì)液膜的沖擊比較強(qiáng),因此會(huì)產(chǎn)生大量的小液滴。下游的液滴數(shù)目比較少,并且液滴粒徑較大,主要原因可能是氣體經(jīng)過(guò)上游液膜的作用后,動(dòng)能大大減小,因此氣體速度降低,對(duì)液滴的剪切作用變?nèi)酢６嫌蝸?lái)的大量小液滴有一部分會(huì)發(fā)生撞擊、聚合,合并為大液滴,導(dǎo)致下游的液滴數(shù)目減少,但粒徑增多。

圖11 case(6,0)的液滴空間分布Fig.11 Droplets spatial distribution[case(6,0)]

圖11(b)是液滴空間分布的側(cè)視圖,可以看出液滴主要集中分布在氣液作用面,沿著氣液作用面液滴粒徑逐漸變大。中間回流區(qū)的液滴數(shù)目較少,但粒徑較小。表明針?biāo)▏婌F場(chǎng)內(nèi)的粒徑分布主要集中在錐形區(qū)域邊緣。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是上游液體在氣體的沖擊下形成的液滴速度較快。下游的液滴受到的氣體沖擊作用減弱,容易受到空氣摩擦力拖拽,導(dǎo)致液滴速度迅速減小,此時(shí)氣液相對(duì)速度較小,減弱了氣動(dòng)剪切作用,因此下游再次破碎的液滴較少,多數(shù)液滴繼續(xù)向下流動(dòng),部分液滴會(huì)被“卷吸”進(jìn)入中心回流區(qū),與上游來(lái)的液滴相互作用,中心回流區(qū)的存在提高了中心位置處液滴霧化效果。

2.2 環(huán)境壓力對(duì)噴霧特性的影響

圖12為不同環(huán)境壓力的針?biāo)ㄊ絿娮斓膰婌F圖像(圖中氣體和液體流量一樣,只改變了環(huán)境壓力)。

圖12 不同環(huán)境壓力下的噴霧圖像(氣體和液體流量保持固定)Fig.12 Spray images under different ambient pressure(mass flows of gas and liquid remain constant)

隨著環(huán)境壓力從0 MPa增加到1 MPa,噴霧區(qū)域向外擴(kuò)張,噴霧錐角逐漸變大。氣體與中心的錐形液膜撞擊,形成的液膜邊界將噴霧區(qū)域分為內(nèi)、外回流區(qū)。噴霧錐角與回流區(qū)大小密切相關(guān),關(guān)于環(huán)境壓力對(duì)回流區(qū)的具體影響通過(guò)后面的仿真進(jìn)行深入分析。從圖中噴霧區(qū)域透光強(qiáng)度可以定性地看出,液膜破碎位置隨著環(huán)境壓力的增加而變化。在壓力范圍為0～0.4 MPa時(shí),液膜破碎位置隨壓力增加而向下移動(dòng);在壓力范圍為0.4～0.8 MPa時(shí),液膜破碎位置又會(huì)向上移動(dòng);當(dāng)壓力為1 MPa時(shí),液膜破碎位置又會(huì)明顯下移。造成這種現(xiàn)象的主要原因如下。

1)影響液膜破碎的因素不僅有氣體的沖擊,還有環(huán)境壓力對(duì)液膜的擠壓,而且高壓環(huán)境下的氣體密度增大對(duì)液膜的移動(dòng)具有阻礙作用,根據(jù)理想氣體方程pV=nRT(其中p是壓強(qiáng),V是氣體體積,n是氣體的物質(zhì)的量,R是摩爾氣體常數(shù),T是溫度),當(dāng)環(huán)境壓力增大10倍時(shí),氣體密度也會(huì)同樣增大10倍,導(dǎo)致與液膜在向下游移動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)阻力增加,這也會(huì)影響液膜的破碎位置。

3)當(dāng)環(huán)境壓力為0.4～0.8 MPa時(shí),環(huán)境壓力增加顯著,因此高壓環(huán)境對(duì)液膜的擠壓作用增強(qiáng),促進(jìn)液膜的破碎,液膜位置向上移動(dòng)。

4)當(dāng)環(huán)境壓力為1 MPa時(shí),氣體的速度會(huì)降為原來(lái)的1/10,雖然環(huán)境壓力增加會(huì)促進(jìn)液膜破碎,但由于缺少氣體的強(qiáng)沖擊作用,液膜破碎會(huì)受到抑制,而且環(huán)境氣體密度增大,導(dǎo)致液膜損失部分動(dòng)能,抑制了液膜表面波的發(fā)展,導(dǎo)致液膜破碎的難度增大,破碎位置向下移動(dòng)。

為深入研究高環(huán)境壓力對(duì)針?biāo)F化特性的影響,繼續(xù)選取工況case(6,1)進(jìn)行仿真并分析常壓和高壓環(huán)境下的流場(chǎng)區(qū)別。對(duì)比圖12的case(6,0)和case(6,1)可以看出高背壓下的噴霧錐角明顯變大。液膜破碎過(guò)程見(jiàn)圖13,可以看出與常壓條件下的液膜破碎過(guò)程相比,環(huán)形液絲數(shù)量明顯增多。具體破碎過(guò)程如下:由于氣體的可壓縮性,相同的氣體流量在不同的背壓下的氣體速度是不同的(如圖7和圖14所示),氣體速度從320 m/s大幅減小至39 m/s,氣體對(duì)液膜的沖擊作用會(huì)大大減弱,氣液接觸面上的渦旋強(qiáng)度減小。液膜破碎過(guò)程發(fā)生改變,液膜在表面波的作用下產(chǎn)生孔洞,且孔洞發(fā)展變大,最終破碎成環(huán)形液絲,脫離液膜。

圖13 case(6,1)的整體和局部放大噴霧圖像Fig.13 The overall and detailed spray shape of case(6,1)

圖14 case(6,1)的速度和流場(chǎng)云圖Fig.14 The velocity and streamline contour of case(6,1)

高壓條件對(duì)噴霧場(chǎng)內(nèi)的回流區(qū)也會(huì)產(chǎn)生明顯影響。如圖7和圖14所示,位于針?biāo)ㄕ路降幕亓鲄^(qū)位置基本保持固定,然而,更下游處的回流區(qū)位置發(fā)生明顯的變化,第二個(gè)回流區(qū)的位置與液膜位置關(guān)系密切,可以看出液膜限制回流區(qū)的大小和形狀,同時(shí)回流區(qū)對(duì)液膜的破碎起到促進(jìn)作用。

圖15是不同環(huán)境壓力下的噴霧錐角曲線(xiàn)。宏觀上看噴霧錐角隨背壓增加而增大,增加趨勢(shì)逐漸減小。當(dāng)處于小背壓條件下,噴霧錐角增加幅度比較大,尤其是0.2 MPa時(shí),噴霧錐角增加26.9%,表明小背壓對(duì)噴霧錐角影響明顯。

圖15 不同環(huán)境壓力下的噴霧錐角曲線(xiàn)Fig.15 The spray cone angle under different ambient pressure

隨著背壓的增加,噴霧錐角增加趨勢(shì)會(huì)逐漸變小,表明高壓條件下壓力變化對(duì)噴霧錐角的影響減弱。液體火箭在啟動(dòng)的瞬間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壓力峰,原因可能是冷態(tài)條件和燃燒狀態(tài)下的燃燒室噴霧狀態(tài)有較大不同,冷態(tài)時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力比較小,噴霧錐角較小;點(diǎn)火瞬間,燃燒室內(nèi)的壓力增加,噴霧錐角會(huì)大幅變化,導(dǎo)致液滴分布不均勻,局部熱釋放過(guò)高,可能導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定,出現(xiàn)較大壓力振蕩。

為獲得背壓對(duì)噴霧粒徑的影響,對(duì)case(6,0)和case(6,1)仿真區(qū)域內(nèi)的液滴粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖16所示。宏觀上可以看出粒徑分布基本相同,均符合正態(tài)分布,大部分粒徑分布主要集中在200 μm周?chē)谋?可以看出高壓條件下的平均粒徑會(huì)變大,主要原因是在高壓環(huán)境下氣體速度減小,氣液間的剪切作用減弱,不利于液膜破碎。可以得出結(jié)論:高背壓條件下噴霧錐角比較大,液滴粒徑普遍變大。

表2 不同環(huán)境壓力下的液滴粒徑Tab.2 Droplet diameter under different ambient pressure 單位:μm

圖16 液滴粒徑的概率分布Fig.16 Probability density function(PDF) distribution of droplet diameter

3 結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了不同環(huán)境壓力條件下的氣液針?biāo)ㄊ絿娮斓撵F化特性,得到的主要結(jié)論如下。

1)采用VOF-to-DPM模型和網(wǎng)格自適應(yīng)的方法有效捕捉到了液膜破碎過(guò)程,整體形態(tài)呈現(xiàn)錐形,中間存在低壓回流區(qū),回流區(qū)有利于提高中間的霧化效果。

2)不同于常壓環(huán)境下的液膜破碎,隨著環(huán)境壓力的增加,噴霧破碎過(guò)程會(huì)發(fā)生變化。揭示了環(huán)境壓力影響液膜破碎位置的3個(gè)主要因素:氣體沖擊、環(huán)境高壓氣體的擠壓和高密度氣體對(duì)液膜發(fā)展的阻礙。

3)環(huán)境壓力對(duì)噴霧錐角影響明顯,尤其是環(huán)境壓力為0～0.4 MPa時(shí),噴霧錐角明顯增大,這可能是液體火箭啟動(dòng)階段出現(xiàn)“壓力峰”的原因。高壓環(huán)境同時(shí)導(dǎo)致液滴粒徑變大。環(huán)境壓力影響回流區(qū)的大小和位置,并且位于下游的回流區(qū)受到的影響更大?；亓鲄^(qū)可以使液滴粒徑更加均勻。

致謝:感謝高玉超、姜傳金在實(shí)驗(yàn)方面的幫助,感謝史強(qiáng)、王家森在格式和語(yǔ)言上的幫助。