對撞噴嘴噴霧場周向分布特性的實驗研究

趙 娜，余永剛，陸 欣，李善德

（1.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京210094；2.西昌衛星發射中心文昌發測站，海南 文昌571300）

為了適應微小型航天器的發展需要，目前許多國家正在競相開發體積小、比沖高、環保性好和安全性高的化學微推進系統［1］。美國NASA、歐洲航天機構等進行了多次試驗和初步評估［2］，認為硝酸羥胺（HAN）基系列液體推進劑是最具潛力的一種，它無毒、比沖高、價格低廉，有望成為新一代高能綠色推進劑。為此，對于HAN基推進劑的霧化特性國內外學者展開了一系列的研究工作［3－5］。

撞擊式噴嘴利用射流的動能實現液柱的破碎，具有響應快、混合和燃燒迅速、易于制造等優點，目前被廣泛應用于液體火箭發動機、電廠鍋爐、園林加濕造景等領域。關于對撞噴嘴的研究主要是圍繞對撞角度和噴射條件對霧化特性的影響而展開。黃鎮宇等［6］對大容量的撞擊式水煤漿霧化噴嘴進行了試驗研究，分析了噴嘴內各主要結構參數對噴嘴霧化特性的影響。王端等［7］采用粒子圖像測速技術對入射管直徑為3mm、混合腔直徑為16mm的T型撞擊流混合器內的流動特性進行了研究，考察了不同流速比和撞擊軸線上方空間條件下混合腔內的速度和湍流動能分布。結果表明，在相同入射管直徑和流速下，撞擊駐點位于混合腔中心處。Alekseenko等［8］使用PIV技術試驗研究了湍流旋流撞擊射流的結構，主要分析了旋流速率對流動結構的影響。

關于噴霧場分布均勻性問題，Cohen等［9］在高溫高壓下測量了燃氣透平噴嘴霧化場的空間分布特性。在大功率條件下，設計并實驗了燃油霧化場質量流量的均勻分布情況。Chen等［10］在噴射壓力0.34～1.72MPa范圍內，對5個噴口長徑比為0.5～4.0的壓力式霧化噴嘴進行了液滴周向分布測量。實驗結果表明：在高噴射壓力下，霧化均勻性顯著提高；同時，當噴嘴噴口長徑比為1.5～2時，液滴周向分布均勻性最佳。Locke等［11］應用平面激光誘導成像和平面Mie散射技術，研究了高壓燃氣透平燃燒室內燃油噴嘴霧化場的燃料分布特性。本文采用對撞式噴嘴，借助相位多普勒粒子動態測試儀（PDA）實驗系統，研究了液體推進劑模擬工質在大氣環境中的霧化分布特性，側重分析前人研究較少的噴霧場參數周向分布特性。

1 實驗裝置

實驗裝置框圖如圖1所示，由高壓氣源提供噴射壓力，液體介質儲存在耐壓儲液罐中。實驗時先打開液體閥門，調節噴嘴前壓力到指定值。待霧化穩定后，對相位多普勒粒子動態分析儀（PDA）實驗系統先手動調焦，使測量原點位于噴嘴出口中心處；然后在PDA配套的BSAFlow軟件中設置測量點坐標，系統便可自動測量并采集需要的霧化液滴數據。實驗噴嘴為兩股圓柱形對撞射流噴嘴，噴孔直徑為0.23mm，中心距為3mm，射流撞擊駐點距噴孔表面距離為5.6mm。

圖1 噴霧實驗系統框圖

2 實驗結果及討論

實驗液體工質為HAN基液體推進劑模擬工質，借助PDA開展對撞噴嘴霧化特性的實驗研究。其中，PDA速度測量范圍為－300～1 000m／s；粒徑測量范圍為0.5～200μm。圖2給出了實驗系統的坐標系與數據處理的周向角定義圖。

圖2 數據處理坐標系說明

坐標軸確定方法如圖2（a）所示。噴嘴出口方向為z軸，其中心點為z軸起點。垂直于z軸的截面視為xoy平面，在該平面內與z軸相交且平行于PDA測試光線方向為x軸，y軸垂直于測試光線。x軸、y軸和z軸三者方向符合右手螺旋關系。

為了說明霧化場參數的周向分布特性，定義圖2（b）所示周向角度α，取x軸正向為0°，x軸負方向為180°，沿逆時針方向為正方向取角。

2.1 液滴霧化參數周向分布特性

液滴尺寸與分布是衡量霧化質量的重要標準之一，通常采用液滴尺寸分布表達式或者液滴平均直徑來評價霧化質量和表示霧化特性。在推進與動力裝置噴霧中最常用的是索特爾平均直徑D［12］32，其物理意義是表示與顆粒群粒形相同、比表面積相同的一個顆粒粒度：

式中：N是直徑為D的液滴數目，通常取Dmin＝0。

對撞射流形成的噴霧場，其周向分布一般是不均勻的。現以z＝80mm軸向截面為例，當噴射壓力為2.2MPa時，x－y截面各個方向上測點處液滴索特爾平均直徑D32的分布如圖3所示，圖中每個小方塊代表測量點區域。由實驗系統環境及操作條件引起的速度測量精度最大不超過0.1%；粒徑測量精度在1%以內。

圖3 噴霧場x－y截面液滴D32分布云圖（p＝2.2MPa，z＝80mm）

由圖3可見，沿同一徑向方向，即測點1、2、3處，液滴D32先增大后減小。同時還可以看出，在同一測量半徑上，測點2（α＝270°），D32約為100μm，而在測點4（α＝180°），D32約為70μm。這說明對撞射流在碰撞截面和垂直于碰撞面方向上的液滴D32大小有較大差異，反映了液滴空間數密度和液滴群碰撞聚合破碎的耦合特性。

圖4～圖6分別給出了液滴D32、液滴軸向速度vz和徑向擴散速度vr在0.8～2.6MPa噴射壓力條件下，在距離噴嘴z＝50mm和z＝100mm軸截面上，離噴嘴中心軸線徑向距離r＝10mm周向上的分布特性。

綜合圖4（a）和圖4（b）可見，在較低噴射壓力下，液滴D32的分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高的噴射壓力下，距離噴嘴越遠處，液滴D32的周向分布均勻性越差。

從圖4可以看出，液滴D32隨著噴射壓力的增加而減小，且液滴D32沿周向分布是不均勻的。統計學中，當樣本數較少時，可以采用極差對物理量的離散程度進行定性分析，極差值越大說明離散程度越大，反之，離散程度越小。定義ΔD32＝D32，max－D32，min，表示同一條件下液滴粒徑分布的極差大小。表1給出了不同噴射壓力和不同軸截面上液滴粒徑分布極差值。

圖4 液滴D32在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

表1 液滴粒徑D32分布極差

由表1可以看出，在研究的噴射壓力范圍內（0.8～2.6MPa），距離噴嘴不同軸截面上，液滴粒徑極差值均是隨著噴射壓力的增大先減小后增大，說明液滴粒徑分布離散程度隨著噴射壓力的增加先減小后增大。同時可以看出，在較低噴射壓力下（p＝0.8～1.8MPa），液滴粒徑分布離散程度隨著軸向距離的增加而減小；在較高噴射壓力下（p＝2.2～2.6MPa），液滴粒徑分布離散程度隨著軸向距離z的增加而變大。

圖5和圖6所示的液滴軸向速度vz和液滴徑向擴散速度vr表現出了和液滴D32相似的周向分布變化特性。在較低噴射壓力下，vz和vr分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高的噴射壓力下，vz和vr分布均勻性隨著軸向距離的增加變差。從圖中還可以看出，在距離噴嘴較近處z＝50 mm，液滴vz和vr隨壓力變化不大。在距離噴嘴較遠截面上z＝100mm，液滴軸向速度vz隨著噴射壓力的增加而增加，液滴徑向擴散速度vr隨著噴射壓力的增加而減小，但是當壓力高于1.8MPa后，軸向和徑向速度值隨噴射壓力的變化也不明顯。

圖5 液滴vz在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

圖6 液滴vr在不同噴射壓力下的周向分布特性（r＝10mm）

2.2 噴霧場周向分布特性的表征方法

關于噴霧場周向分布均勻性國內外學者研究較少，本文采用 RNI（Radial Nonuniformity Index）理論［13］來定量表征噴霧場參數周向分布均勻性問題。以物理量λ為例，其RNI表達式：

式中：s（λ）表示標準差；λmax，λmin分別表示λ測量值的最大值和最小值是測量算術平均值。由式（2）亦可以看出RNI（λ）介于0到1間，RNI（λ）值越大說明分布均勻性越差。

借助RNI理論，對p＝0.8～2.6MPa噴射壓力范圍內液滴霧化參數D32，vz，vr沿噴嘴軸向的變化規律進行了分析。為了研究方便，本文采用無量綱軸向距離z／Z（Z＝120mm）為橫坐標進行說明。

圖7給出了不同噴射壓力下噴霧場周向（r＝10mm）液滴霧化參數的RNI值沿軸向的變化特性。由圖7（a）可見，在0.8～1.8MPa的噴射壓力下，RNI（D32）值隨著軸向距離的增加而減小；在2.2～2.6MPa噴射壓力下，RNI（D32）值隨著軸向距離的增加而略有增加。這說明在沿軸向x－y平面內，在較小噴射壓力（0.8～1.8MPa），液滴粒徑的周向分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；在較高噴射壓力（2.2～2.6MPa），則規律性相反。RNI（vz）和RNI（vr）的軸向變化規律與 RNI（D32）類似。

圖7 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的軸向分布特性

綜上所述，RNI表征結果與圖4～圖6的實驗結果是一致的，說明采用RNI理論可以對液霧場周向分布特性進行表征，它比常規方法簡便很多。由圖7還可以看出，在p＝0.8～1.8MPa噴射壓力條件下，RNI（D32）、RNI（vz）和 RNI（vr）的值在z＝80mm后隨z的增加變化比較小。

圖8給出了噴射壓力p＝1.8MPa條件下，在不同軸截面上 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）沿徑向的分布規律，橫坐標r／R（R＝30mm）為無量綱徑向距離。由圖8（a）可見，在本文研究的徑向范圍（r＝5～25mm）內，對于z＝50mm 軸截面處，RNI（D32）隨著徑向距離r的增加先減小后增大；在r／R＝0.17，即r＝5mm 周向上，RNI（D32）＝0.545；r＝15mm 處，RNI（D32）＝0.528；r＝20 mm處，RNI（D32）＝0.626。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）值隨著r的增加基本不變，維持在0.52左右范圍內。這說明在此噴射壓力和研究的徑向距離范圍內，在z＝50mm截面上，距離中心軸線越遠處，液滴D32的周向分布均勻性越差；在z＝80～100mm截面上，液滴D32的周向分布均勻性隨r的變化不大。這說明在該噴射壓力下，z＝50mm截面上，在r＝25mm的徑向位置處已經接近霧場錐形分布的邊緣處，由于該處是分散的較小粒徑液滴，所以分布均勻性比較差。而z＝80～100 mm處于霧場湍動充分發展后的主體段，在r＝25 mm的徑向范圍內液滴粒徑分布比較均勻。

圖8 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的徑向分布特性（p＝1.8MPa）

液滴徑向擴散速度vr沿徑向的周向分布特性和D32類似，如圖 8（c）所示。由圖 8（b）可見，RNI（vz）值在各截面上均是隨著r的增加先增大后減小，但有一定波動性。這說明在研究的軸截面上，液滴群軸向速度沿徑向的分布均勻性的總體趨勢是先變差后改善。

由 圖 8 還 可 以 看 出，RNI（D32），RNI（vz）和RNI（vr）值在z＝80～100mm截面上均比較接近，與圖7所示相關結果相同。這說明噴霧場在z＝80mm已處于霧化主體段，其后一定軸向距離范圍內的霧場參數分布特性比較類似。由于z＝50mm截面離對撞面較近，其上的參數分布波動性比較大。

3 結論

在本文的實驗條件下，可以獲得如下結論：

①對撞射流形成的噴霧場，其霧化參數的周向分布是不均勻的，它與噴射壓力、空間坐標等密切相關。在r＝10mm周向上，p＝0.8～1.8MPa噴射壓力范圍內，液滴霧化參數D32，vz，vr的分布均勻性隨著軸向距離的增加而改善；p＝2.2～2.6MPa噴射壓力范圍內，距離噴嘴越遠處，液滴霧化參數的周向分布均勻性越差。

②采用RNI理論研究霧化場周向分布均勻性比常規方法更簡便。研究結果表明，p＝1.8MPa時，在本文研究的徑向范圍內（r＝5～25mm），z＝50mm軸截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）的值均是隨著徑向距離r的增加先減小后增大，說明距離中心軸線越遠處，其周向分布均勻性越差。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）隨著r的增加變化很小，維持在0.52±0.02范圍內，其周向分布均勻性隨r的變化不大。RNI（vz）值在各截面上均是隨著r的增加先增大后減小，但有一定波動性，這說明vz在霧場各軸截面上分布均勻性的總體趨勢是隨著徑向距離的增加先變差后改善。

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