不同聚集因素對燃燒室凝相顆粒粒度分布的影響①

夏盛勇，胡春波，張勝敏，薛 瑞，徐義華

(1.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072;2.南昌航空大學，南昌 330063)

不同聚集因素對燃燒室凝相顆粒粒度分布的影響①

夏盛勇1，胡春波1，張勝敏1，薛 瑞1，徐義華2

(1.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072;2.南昌航空大學，南昌 330063)

設計了一種凝相顆粒收集裝置，可對燃燒室內不同聚集狀態(tài)下的粒子進行完整的收集，并對顆粒的形態(tài)影響較小。針對HTPB推進劑，開展了不同流通面積和顆粒濃度條件下的粒子收集實驗，利用掃描電鏡和激光粒度分析儀，對收集到的粒子進行了分析。結果表明，不同聚集狀態(tài)下的凝相顆粒粒徑均分布在0.1～200 μm之間，隨著流通面積的減小，小于3 μm的顆粒逐漸減少，3～10 μm之間的顆粒變化不大，大于10 μm的顆粒逐漸增加，顆粒平均粒徑d43和d50均逐漸增大，且d43和d50的變化率也逐漸增加;隨著顆粒濃度的增加，顆粒平均粒徑d43和d50增大較明顯。

固體火箭發(fā)動機;聚集狀態(tài);流通面積;顆粒濃度;粒度分布;粒子收集

0 引言

含鋁復合推進劑燃燒后會產生凝相顆粒，隨著高溫燃氣流動顆粒間會發(fā)生碰撞、聚合和破碎作用。聚集狀態(tài)下由于碰撞概率大大增加，顆粒間的碰撞聚合作用更加明顯。顆粒聚集現象在發(fā)動機工作過程中也是普遍存在的，如高過載條件下凝相顆粒會在發(fā)動機內局部形成高濃度粒子聚集區(qū)［1］，復雜裝藥(如翼槽型)發(fā)動機工作過程中深窄通道內的聚集流動。聚集狀態(tài)下凝相顆粒間的碰撞和聚合作用對粒子的直徑分布有很大影響［2］，而聚集狀態(tài)下的顆粒粒徑分布對于發(fā)動機的絕熱層燒蝕預示及安全性評估都是非常重要的初始參數。

目前，國內外對燃燒室內非聚集狀態(tài)下的顆粒粒徑測量已開展了大量工作［3-7］，但專門針對聚集狀態(tài)下的顆粒粒徑分布研究相對較少。文獻［8］采用類似O’Rourke的液滴碰撞模型，對變截面流動通道內的兩相流動過程進行了數值模擬。結果表明，流動通道面積的改變，可直接導致顆粒平均粒徑的變化。文獻［9］利用收縮管使顆粒聚集形成高濃度顆粒流的方法，對不同聚集狀態(tài)下的顆粒進行了收集，采用不同收縮角的收斂段(出口面積不變)來考察聚集狀態(tài)對粒度分布的影響。結果表明，聚集狀態(tài)對顆粒粒度分布具有很大影響，聚集程度越大，顆粒粒度整體變大。文獻［10］設計了一種對稱雙噴管的粒子收集裝置，并研究了聚集狀態(tài)下收斂段沿徑向不同部位凝相粒子的粒徑分布。通過分析文獻［9-10］的粒子收集方法，可發(fā)現隨流性好的小粒子會隨燃氣一起噴出，導致收集到的顆粒粒徑分布比真實值偏大，同時高速凝相顆粒在進入冷卻液的過程中，顆粒的表面形態(tài)可能會發(fā)生變化。綜上可知，不同聚集因素對顆粒粒徑的影響程度不同，但由于實驗條件和方法的不足，導致各聚集因素對粒徑變化的影響規(guī)律仍不清楚，絕熱層燒蝕計算時仍感數據缺乏。

本文設計了一種凝相顆粒收集裝置，可對不同聚集狀態(tài)下的粒子進行完整的收集，且對顆粒的表面形態(tài)影響較小。通過開展不同聚集狀態(tài)下的顆粒收集實驗，獲得不同流通面積和粒子濃度條件下的粒徑分布規(guī)律，為絕熱層燒蝕計算提供原始數據。

1 實驗方法

1.1 粒子收集實驗裝置

高過載條件下大顆粒對絕熱層的機械沖蝕作用較小顆粒更加明顯。因此，文獻［9-10］的研究結果對高過載條件下的絕熱層燒蝕研究仍具有其應用價值。但為了更加完整準確地研究顆粒對絕熱層燒蝕及整個發(fā)動機內流場的影響，本文提出了一種新的粒子收集裝置，如圖1所示。

圖1 粒子收集實驗裝置Fig.1 Particle collection device

實驗裝置主要由燃氣發(fā)生器、收斂段、粒子收集罐、排氣裝置、電磁閥和水箱組成。其工作原理是燃氣發(fā)生器產生高溫凝相顆粒，經收斂段形成顆粒聚集流，噴入粒子收集罐進行一次收集，混合后的氣體經排氣裝置及電磁閥進入水箱進行二次收集。電磁閥主要用于控制實驗前的氮氣供給及點火時的排氣。推進劑點火前關閉電磁閥，保證整個實驗系統(tǒng)處于密閉狀態(tài)，向粒子收集罐內充入工作壓強的氮氣，用于凍結粒子及提供工作壓強，點火的同時打開電磁閥排氣，保持工作壓強平穩(wěn)。推進劑燃燒后產生的兩相燃氣，經燃燒室、收斂段后進入粒子收集罐，常溫氮氣與兩相燃氣間進行摻混從而凍結凝相顆粒，由于流通面積的急劇增大，氣流及顆粒相速度會降得很低，又由于粒子收集罐較長(約1.5 m)，大大增加了粒子在收集罐內的滯留時間，在重力及流動的影響下，顆粒會與事先用水澆濕的壁面發(fā)生接觸，從而被儲有少量水的粒子收集罐捕獲;未被捕獲的粒子隨氣體流經排氣裝置進入儲有大量水的水箱，對粒子進行二次收集;推進劑燃燒結束后，立即關閉電磁閥，待粒子沉淀一段時間，再重新打開電磁閥排氣;排氣結束后，對收集罐及水箱中的粒子進行收集。該裝置與文獻［9-10］的最大區(qū)別在于:采用高壓常溫氮氣凍結凝相顆粒，通過粒子收集罐及水箱對顆粒進行2次收集，保證了收集粒子的完整性，同時避免了冷卻液對顆粒形態(tài)的影響。

1.2 實驗方案

本文通過改變收斂段的出口面積來調節(jié)聚集狀態(tài)下粒子的流通面積，通過改變推進劑含鋁量來調節(jié)聚集狀態(tài)下的粒子濃度。為研究聚集狀態(tài)下不同流通面積和濃度對粒徑變化的影響，共設計了6次實驗，如表1所示。其中，D為收斂段出口的直徑。實驗1為燃燒室非聚集狀態(tài)粒子收集實驗，實驗2～6為聚集狀態(tài)下的顆粒收集實驗。其中，實驗1～5為不同流通面積條件下的顆粒收集實驗，實驗5、6為不同粒子濃度條件下的顆粒收集實驗。采用HTPB推進劑產生高溫凝相顆粒，推進劑采用端面燃燒方式，端面直徑為50 mm，設計工作壓強均為5 MPa。

表1 實驗工況Table 1 Experiment condition

2 實驗結果及分析

圖2為實驗1的壓強-時間曲線。從圖2可見，推進劑約在8.2 s時刻點火，11.6 s時刻燃燒結束，燃燒時間約為3.4 s，推進劑點火前充入氮氣壓強為4.9 MPa，在推進劑燃燒過程中壓強略微有所上升，但變化不大，基本保持平穩(wěn)，平均工作壓強為5.4 MPa，其余實驗的壓強-時間曲線與實驗1基本相同。壓強曲線可說明本文實驗方法能較好地保持平穩(wěn)的工作壓強，從而可忽略壓強變化對粒徑的影響。

圖2 實驗1壓強-時間曲線Fig.2 Pressure vs time in the No.1 experiment

2.1 顆粒形態(tài)分析

為了解凝相顆粒的具體形態(tài)及顆粒間相互作用的具體方式，采用FEI-Quanta-600F掃描電鏡對收集到的粒子進行了形態(tài)分析，圖3為不同大小顆粒的掃描電鏡照片。從3幅照片中可看到，推進劑燃燒產生的凝相顆粒呈多尺度分布，不同尺度大小的粒子基本都呈球形，小粒子表面比較光滑，而大顆粒表面卻略顯粗糙，未發(fā)現嚴重變形或扁平的顆粒。可見，本文的冷卻介質對顆粒的形態(tài)影響較小。從圖3(b)中可看到，在一個約為25 μm的大粒子上粘有很多的小粒子，且有部分小粒子鑲嵌到大顆粒內部;圖3(c)展示的是一個直徑約為100 μm的大粒子。仔細觀察可發(fā)現，粒子表面含有裂紋，同時還有一些融入其內的小粒子，說明聚集狀態(tài)下凝相顆粒間的碰撞聚合作用會造就大顆粒的生成。

2.2 顆粒粒度分析

運用基于完全米氏(Mie)散射理論的Mastersizer 2000激光粒度分析儀，對收集的粒子進行粒度測量。

圖4示出了5種不同流通面積狀態(tài)下的顆粒粒度體積分布。從圖4可看出，不同流通面積狀態(tài)下的顆粒粒徑均呈雙峰分布，主要集中在0.1～200 μm之間。隨著流通面積的減小，0.1～5 μm之間的顆粒逐漸減小，5～200 μm的顆粒逐漸增加，顆粒粒徑整體變大。

圖3 收集粒子的掃描電鏡照片Fig.3 SEM of collected particles

圖4 不同流通面積條件下的粒度體積分布Fig.4 Diameter volumetric distribution under different flow cross-section area

表2給出了不同流通面積條件下的平均工作壓強及相應的顆粒粒徑參數。其中，d43為質量平均粒徑，d50為質量中間直徑。從表2可看到，隨著流通面積的減小，小顆粒峰值粒徑變化非常微小，均在1.5～2 μm之間，而大顆粒峰值粒徑變化相對較大，由13.8 μm增大到 26.3 μm。

設推進劑燃面直徑與收斂段的出口直徑之比為K，則K值反應了顆粒流通面積的變化程度。對于本文實驗，K=50/12=4.2，d43=15.15 μm。文獻［9］中3.99 MPa 工況，K=95/25=3.8，d43=140.6 μm。文獻［10］中7.5MPa工況，K=188/50=3.76，d43=26.48 μm。可見，3種工況的K值基本一致，而d43卻相差較大，從小到大的順序為本文＜文獻［10］＜文獻［9］。這一結果正好驗證了顆粒收集方法的分析結果，同時也說明了本文的顆粒收集方法更加準確，粒徑測試結果更加符合真實的顆粒粒徑分布。

圖5展示了表2中的平均粒徑d43和d50隨流通面積的變化情況。從圖5可看出，隨著流通面積的減小，顆粒平均粒徑d43和d50均逐漸增大，且d43和d50的變化率也會逐漸增加，即流通面積越小，d43和d50就越大，同時d43和d50增大的幅度也越大。顆粒平均粒徑與流通面積之間并不呈線性關系，而是隨著流通面積的減小呈曲線遞增的關系。這也說明了隨著流通面積的減小，顆粒間的碰撞聚合作用會更加明顯。

圖5 顆粒平均粒徑隨流通面積的變化Fig.5 Average diameters vs flow cross-section area

圖6給出了表2中不同粒徑范圍的顆粒體積率隨流通面積的變化情況。從圖6可看到，隨著流通面積的減小，小于3 μm的顆粒逐漸減少，3～10 μm之間的顆粒變化不大，大于10 μm的顆粒逐漸增加，且流通面積越小，小于3 μm和大于10 μm的顆粒體積率減小和增大幅度也越大。可見，隨著流通面積的減小，聚集程度的增強，顆粒間的碰撞聚合作用逐漸增強，在顆粒粒度分布曲線上表現為小于3 μm的顆粒與其他顆粒發(fā)生聚合作用，生成大于10 μm的顆粒，3～10 μm之間的顆粒基本維持不變，顆粒整體粒徑增加。

2.2.2 顆粒濃度對粒度的影響

通過改變推進劑含鋁量來研究不同顆粒濃度對聚集狀態(tài)下粒徑變化的影響，分別為10%和17%，采用相同的收斂段。圖7展示了不同粒子濃度條件下的顆粒粒度分布情況。從圖7可看出，2種顆粒濃度狀態(tài)下的顆粒粒徑均呈雙峰分布，主要集中于0.1～200 μm。隨著顆粒濃度的增加，小于10 μm顆粒呈減少趨勢，而大于10 μm的顆粒呈增加的趨勢，顆粒粒徑整體增加。

表3給出了不同顆粒濃度條件下的顆粒粒徑。從表3可看到，小顆粒峰值粒徑變化很小，而大顆粒峰值粒徑變化較大。當顆粒濃度增加約1.7倍時，d43增加約1.8倍，d50增加約2.9倍。可見，顆粒濃度對粒徑的影響是非常顯著的，隨著顆粒濃度的增加，顆粒平均粒徑d43和d50均呈增大趨勢。

圖6 不同粒徑范圍的顆粒體積率隨流通面積的變化Fig.6 Volumetric percentage of different particle diameter vs flow cross-section area

圖7 不同粒子濃度條件下的粒度體積分布Fig.7 Diameter volumetric distribution under different particle concentration

表3 不同顆粒濃度條件下的顆粒粒徑Table 3 Particle size under different particle concentration

3 結論

(1)設計了一種凝相顆粒收集裝置，該裝置可對燃燒室內非聚集狀態(tài)和不同聚集狀態(tài)下的凝相顆粒進行完整的收集，并對顆粒的形態(tài)影響較小，粒度測量結果較文獻［9-10］更加準確。

(2)顆粒形態(tài)分析表明，不同尺度下的顆粒均呈球形，小顆粒表面規(guī)則光滑，而大顆粒表面卻略顯粗糙，同時大顆粒表面鑲嵌有許多小粒子。

(3)隨著流通面積的減小，小于3 μm的顆粒逐漸減少，3～10 μm之間的顆粒變化不大，大于10 μm的顆粒逐漸增加，顆粒平均粒徑d43和d50均逐漸增大，且d43和d50的變化率也逐漸增加。

(4)隨著顆粒濃度的增加，小于10 μm顆粒呈減少趨勢，大于10 μm的顆粒呈增加趨勢，顆粒平均粒徑d43和d50增大較明顯。

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Effect of different aggregation factors on condensed particle size distribution in the chamber of SRM

XIA Sheng-yong1，HU Chun-bo1，ZHANG Sheng-min1，XUE Rui1，XU Yi-hua2
(1.Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal-structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi＇an 710072，China;2.Nanchang Hang Kong University，Nanchang 330063，China)

A set of device which can collect completely condensed particles in the chamber of SRM under different aggregation state was designed.The particle collecting experiments for HTPB propellant under different flow cross-section area and different particle concentration were carried out respectively.The collected particles were analyzed by SEM and Mastersizer 2000.The results show that the particle diameter are mainly distributed within 0.1 ～200 μm.With the reduction of flow cross-section area，particles which are less than 3 μm reduce，and particles between 3 ～ 10 μm almost don＇t change，and particles which are larger than 10 μm increase.The average diameter d43and d50increase gradually，and change rate of d43and d50also increase steadily.With the increase of particle concentration，d43and d50increase obviously.

solid rocket motor;aggregation state;flow cross-section area;particle concentration;particle size distribution;particle collection

V448.15

A

1006-2793(2012)02-0271-05

2011-01-06;

2011-04-06。

國家自然科學基金資助項目(50976095)。

夏盛勇(1987—)，男，博士生，研究領域為航空宇航推進理論與工程。E-mail:xishengyong@126.com

(編輯:薛永利)