高速高溫空氣橫向射流條件下直射式噴嘴燃油軌跡研究

周 毅，何小民，章宇軒

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210001）

0 引言

航空煤油作為現代戰略武器最常用的推進劑，是1種具有高能量、高密度、高性能的液體燃料。燃料霧化是液體燃料燃燒的重要步驟，霧化質量對燃燒室工作性能具有重要影響。燃料的橫向射流方式已經在加力燃燒室、沖壓發動機燃燒室、超燃沖壓發動機燃燒室中獲得廣泛的研究和應用[1-4]。射流的穿透深度及軌跡是描述橫向射流的重要參數，會對下游的燃油分布產生直接影響，從而影響整個燃燒室的燃燒性能。在沖壓發動機燃燒室、加力燃燒室的設計過程中，要保證燃油在噴射過程中避免碰到燃燒室壁面。為此，國內外學者對燃油橫向射流研究的工況從常溫到高溫，從低壓到高壓，也擬合了形式不同的穿透深度經驗關系式。Wu等[5]進行了常溫、環境壓力為0.14 MPa條件下水和酒精在超聲速氣流中橫向射流穿透深度的對比研究，并總結了經驗關系式；吳里銀[6]在Ma=2.1的超聲速來流中常溫、低壓條件下，分析了總壓、速度、孔徑等參數的變化對煤油穿透深度的影響，并擬合了相應的關系式，包括動量比和流向位置，并在后續分析中將關系式進一步整合為包括噴嘴流量系數、噴注壓降、來流總壓、流向距離和噴孔直徑等參數的函數；劉靜等[7]在總溫610 K下對超聲速射流中水的穿透深度進行不同測量條件下擬合經驗關系式的對比研究，發現使用相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer,PDPA）測量得到的穿透深度最大；Ragucci等[8]在600 K、環境壓力2 MPa下，對煤油的穿透深度進行研究，所研究的變量有動量比、流量、韋伯數以及當地溫度動力黏度與常溫動力黏度的比值；Ghenai[9]對馬赫數為1.5的超聲速橫流中液體射流進行了研究，主要關注氣液質量比對射流穿透深度和霧化效果的影響，并根據結果修正了射流邊界位置的經驗關系式。現有擬合經驗關系式除了動量比和位置參數[10-13]外，還包含韋伯數[14]、動力黏度[8，15]、雷諾數[16-17]等，對穿透深度的擬合關系式的形式、影響因素和適用范圍均不一致，且針對亞聲速、高溫和較高壓條件下的穿透深度研究較少。

本文通過光學測量手段對來流壓力為0.12～0.27 MPa、溫度為 400～750 K、速度為 43.641～109.420 m/s條件下航空煤油橫向射流進行拍攝，并通過Matlab軟件進行圖像處理，為直射式噴嘴在加力燃燒室和沖壓燃燒室中的實際應用提供支撐。

圖1 直射式噴嘴油霧試驗系統

圖2 直射式噴嘴油霧試驗系統實物

1 試驗方案

1.1 試驗模型及系統

試驗系統原理和實物分別如圖1、2所示。試驗系統包括供氣、供油、加溫和測量等子系統。氣源由2臺流量為0.4 kg/s、最高壓力為0.8 MPa的壓氣機提供，氣流經穩壓罐流入試驗管路系統，由燃氣加溫器對燃燒室進口氣流進行加熱，以確保在進行燃燒室試驗時提供不同溫度的進口氣流。試驗中所使用的燃油泵最高油壓可達6 MPa，能夠滿足試驗需求。

燃燒試驗件根據試驗內容和試驗參數設計，結構能承受的壓力為0.5 MPa。其參數見表1。

表1 試驗件尺寸參數

試驗件總體結構、剖面及粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,PIV）測量段實物分別如圖3～5所示。在試驗中，在氣流出口安裝調壓閥門以控制來流壓力，根據試驗要求更換不同的噴油嘴，PIV的激光從激光入射窗口射入。

圖3 直射式噴嘴試驗裝置結構

圖4 試驗裝置A-A剖面

本試驗用噴嘴為直射式霧化噴嘴，液體燃料在壓力作用下直接經過小孔射出，結構較為簡單，在加力燃燒室和沖壓燃燒室中應用廣泛。噴嘴實物如圖6所示。根據試驗要求，噴口孔徑分別為0.79、1.00 mm。

圖5 直射式噴嘴油霧試驗PIV測量段

圖6直射式噴嘴

試驗選用PIV技術進行測量。所使用的PIV系統由La Vision公司生產，采用的激光器系統由2臺Nd：Yag激光器及光路調整系統封裝成一體。激光器的工作頻率為15 Hz，每個脈沖能量為200 mJ，2個激光器脈沖間隔為0.5～33300 μs，可以滿足從低速流動到高速流動測量的需要，典型的脈沖持續期為8 ns。電荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）相機分辨率為（2048×2048）pix，單幀頻率為 7 fps，每 2幀圖像之間的最小時間間隔為120 ns。

1.2 試驗方法

試驗利用PIV測量直射式霧化噴嘴油霧場，獲得來流溫度、來流壓力、噴孔直徑和燃油噴射壓力的變化對燃燒室內油霧場影響的圖片。PIV系統的激光從試驗段出口窗口垂直射入，照亮試驗段燃油噴射噴口截面，用相機通過試驗段側面觀測窗記錄試驗段噴口截面內油珠圖像。

在試驗中，穩定壓力用氣由壓氣機產生后通過儲氣罐提供，再輸送到試驗管路中，在前測量段的測量口使用鎳鉻鎳硅熱電偶測量空氣來流進口溫度，使用壓力表測量空氣來流進口壓力，由氣流進口處的加溫燃燒室對來流噴油燃燒，以提高來流溫度；采用孔板流量計測量試驗段進口流量，燃油噴射壓力由連接到加壓泵上的壓力表讀出；從試驗段出口處射入PIV激光，在試驗段側面放置CCD相機，透過PIV測量窗口對試驗段內油霧場進行拍攝。拍攝分2個區域，在每個區域進行多次。通過對所得圖片進行相關處理，分析各因素對燃料穿透深度的影響。改變來流溫度、壓力、速度和噴孔直徑、油壓差，試驗工況變化范圍見表2。

1.3 數據處理方法

試驗中所獲得的原始圖像如圖7所示。為研究燃油穿透深度，需要通過Matlab軟件對試驗所得圖片進行處理，并獲得穿透深度相關數據。

以外邊線定義燃油穿透深度與其軌跡。在實際處理過程中，將PIV原始試驗圖片進行二值化處理后等比例截取，圖片下邊緣與噴口所在平面保持一致，圖中的紅點為射流穿透邊界的取值點，測量各點高度并獲得其坐標，最后將得到的坐標代入Matlab中進行穿透深度關系式擬合，確定關系式中的相關參數。在取點過程中，在變化劇烈的上游多取點能夠較好地反映其變化趨勢，在下游變化平緩處則可相應地少取點。穿透深度取值方式如圖8所示。

表2 試驗工況變化范圍

圖7 原始圖像

圖8 穿透深度取值方式

2 試驗結果及分析

試驗研究了不同的來流壓力、來流溫度、油壓差、噴孔直徑的條件下燃油軌跡的變化規律。

2.1 不同氣體熱力學參數下燃油軌跡變化規律

來流壓力和來流溫度的變化對燃油軌跡的影響規律分別如圖9、10所示。從圖中可見，燃油軌跡沿著流向隨著距離的增加緩慢上升。在試驗范圍內，氣流壓力越高，溫度越低，穿透深度越大。

圖10 不同來流溫度對穿透深度的影響

圖9 不同來流壓力對穿透深度的影響

空氣來流流量不變而壓力升高時，其密度增大，速度減小，對燃油液滴的橫向氣動力變小，燃油穿透深度將隨之增大。根據油氣動量比q=可知，當空氣來流壓力升高時，油氣動量比變大，因此更大的動量比對應更大的穿透深度。

同樣地，來流流量不變而溫度降低時，空氣密度增大、速度減小，燃油穿透深度將隨之增大。從動量比的角度看，來流溫度升高時，油氣動量比將變大，因此更大的動量比同樣對應更大的穿透深度。另外，溫度降低使燃油蒸發減弱，燃油粒徑增加，跟隨性變差，同樣導致穿透深度增大。

2.2 不同供油參數下的燃油軌跡變化規律

不同油壓差和噴孔直徑下燃油軌跡的變化規律分別如圖11、12所示。從圖中可見，燃油軌跡趨勢與前文所述類似，供油油壓差越高，噴孔直徑越大，燃油的穿透深度也越大。

圖11 不同油壓差對穿透深度的影響

圖12不同噴孔直徑對穿透深度的影響

當噴孔直徑不變而供油油壓差升高時，燃油初速度增大，導致燃油穿透深度增大；在動量比的定義中，燃油速度uf增大時，動量比隨之增大，因此更大的動量比對應更大的穿透深度。

當供油油壓不變而噴孔直徑增大時，供油流量升高，燃油初速度增大，動量比隨之增大，同樣將導致燃油穿透深度增大。另外，噴孔直徑增大使一次霧化性能減弱，燃油粒徑增大，跟隨性變差，同樣導致穿透深度增大。

2.3 橫向射流中燃油軌跡分析

結合試驗中各變量對燃油軌跡的影響分析，并根據對燃油軌跡關系式的相關研究[10]可知，動量比是燃油穿透深度變化的主要影響因素。本研究將所得到的試驗數據無量綱化后進行關系式擬合（如圖13所示）。

圖13 穿透深度擬合曲線

式中：y為穿透深度；D為噴孔直徑；q為燃油與空氣動量比；x為沿流向粒子到噴口的距離；a、b、c均為擬合的系數。

擬合得到無量綱關系式

試驗值和關系式擬合值的對比如圖14所示。圖中給出了相應±10%的誤差帶，從圖中可見，擬合的燃油軌跡關系式在與試驗工況對比時最大誤差約為10%，說明所擬合的關系式可以較好地描述試驗工況下燃油橫向射流的穿透深度。

圖14 擬合曲線和試驗值的誤差分析

3 結論

本文采用PIV技術對航空煤油橫向射流進行試驗，得到以下結論：

（1）氣體熱力學參數壓力在0.17～0.28 MPa、溫度在400～700 K的范圍內增加使得燃油穿透深度減小；噴孔直徑在0.39～1.00 mm、噴油壓力在1.2～2.7 MPa范圍內增加使得穿透深度增大；

（2）橫向射流燃油軌跡的變化與動量比有很大關系，研究中最大穿透深度約為75 mm，試驗結果和關系式都表明，穿透深度和動量比存在著正相關的作用。

（3）在試驗工況范圍內獲得無量綱穿透深度與動量比和無量綱流向距離的關系式。