均勻液滴噴射性能的實驗研究

薛松齡，柴寶華，王澤鳴，朱錦新

均勻液滴噴射性能的實驗研究

薛松齡，柴寶華，王澤鳴，朱錦新

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

液滴式輻射器中液滴的噴射性能決定了液滴層中液滴的直徑、間距、速度等參數(shù)，進而決定了整個液滴層的輻射散熱性能。利用Rayleigh-Weber射流理論初步確定產(chǎn)生均勻液滴流的頻率范圍，完成了噴射實驗裝置的設計。通過實驗研究了工質(zhì)壓力、擾動頻率、噴孔的直徑、噴孔長徑比對均勻液滴流產(chǎn)生的影響。

均勻液滴；噴射；擾動頻率

液滴式輻射器（Liquid Droplet Radiator）是一種新型的空間散熱裝置，其設計構想是由Mattick和Hertzberg[1]提出的。其工作原理是把熱工質(zhì)以細小液滴的形式向太空噴射，在行進過程中向空間輻射熱量，工質(zhì)液滴冷卻后加以收集，由循環(huán)泵送回到換熱器中繼續(xù)進行工質(zhì)循環(huán)。液滴式輻射器的散熱是通過以億計的小液滴組成的液滴層進行的，所以液滴式輻射器具有極大的散熱面積。相同散熱功率下，采用不同工質(zhì)時液滴式輻射器的質(zhì)量約為熱管式輻射器質(zhì)量的10%～20%[2]。在太陽能動力系統(tǒng)中如果使用液液滴式輻射器，整個動力系統(tǒng)的比質(zhì)量與使用熱管式輻射器時相比低約27%[3]。因此液滴式輻射器存在極大的質(zhì)量優(yōu)勢。

液滴的噴射性能決定了液滴流中液滴的直徑、間距、速度，這些參數(shù)又進一步?jīng)Q定了整個液滴層的輻射散熱性能。因此許多研究者對液滴的噴射性能進行研究。White等人的研究發(fā)現(xiàn)噴射孔的形狀并不影響形成均勻液滴的實驗條件范圍，形成均勻液滴流的實驗條件的工作范圍是由工質(zhì)物性、擾動頻率和液滴的速度等因素共同決定的[4]。日本的Tsuyoshi等在微重力條件下進行了單條液滴流噴射試驗[5,6]，在微重力條件下驗證了由質(zhì)量守恒導出均勻液滴直徑和間距的計算關系式。

國內(nèi)針對液滴噴射性能也進行了很多研究，但主要的應用背景是面向噴墨打印、燃燒噴嘴以及壓電潤滑系統(tǒng)以及激光慣性約束聚變研究中的靶丸研制等。劉文巍等[7]為研究液滴噴霧燃燒，研制了單液滴發(fā)生裝置，研究了不同電壓、頻率和噴口直徑等條件下的液滴發(fā)生特性。魏勝等[8]采用液滴法制備空心玻璃微球，根據(jù)Rayleigh流體不穩(wěn)定原理，確定了射流振蕩波頻率范圍，分析了充電偏轉過程，在不同的壓力及孔徑下，確定了最佳偏轉振蕩頻率與射流初始速率和充電環(huán)長度的關系表達式。

本文圍繞液滴式輻射器中液滴的噴射行為展開試驗研究，分析了不同試驗條件對均勻液滴流產(chǎn)生的影響。

1　液滴噴射原理

1990年Savart[9]對射流不穩(wěn)定性和斷裂機理進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)射流表面存在著不同程度的擾動，這些擾動隨時間逐漸增長，最終導致射流斷裂而形成液滴。

Rayleigh[10-12]對射流不穩(wěn)定性及其斷裂機理進行了系統(tǒng)研究后提出，當擾動的增長速度最大時，為射流斷裂的最優(yōu)條件，并給出擾動增長率與無量綱波數(shù)的關系為：

Rayleigh射流理論中的射流的斷裂條件與Plateau[13]提出的射流斷裂條件一致。但Rayleigh理論只考慮了表面張力對射流斷裂的作用，未考慮流體黏性和射流半徑的影響。

Weber[14]對Rayleigh的擾動理論進行了完善和修正，考慮了液體的黏性和周圍環(huán)境介質(zhì)的密度，將射流不穩(wěn)定方程修正為：

Weber在推導射流不穩(wěn)定性方程的過程中僅考慮了環(huán)境介質(zhì)密度的影響，而忽略了環(huán)境介質(zhì)的黏度。

2　實驗裝置設計

實驗采用的工質(zhì)為DC704硅油，其工質(zhì)特性如表1所示。液滴發(fā)生器的設計壓力不高于0.5 MPa，液滴的設計直徑范圍為0.4～0.65 mm。

表1　DC704工質(zhì)特性

圖1　擾動增長率與無量綱波數(shù)的關系

振源系統(tǒng)主要由壓電陶瓷、函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器等組成。

液滴流的拍攝和分析通過成像與分析系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)的主要組成部件為高速攝像機、面光源、圖像處理軟件以及相關附件組成。高速像機型號為PCO.dimax.HD，相機的最小曝光時間為1ms，可連續(xù)拍攝液滴的形態(tài)。利用Camware圖像處理軟件進行圖像處理。為了確定圖像中液滴的尺寸，采用標尺進行對比測量，標尺的最小刻度為0.1 mm，精度為0.005 mm。

3　實驗結果分析

試驗過程中針對不同的工質(zhì)壓力、擾動頻率、噴孔直徑以及噴孔的長徑比進行了噴射試驗，并對結果進行了對比分析。液滴直徑的實驗數(shù)據(jù)是每種試驗工況下9個液滴樣本直徑的平均值。

3.1　不同工質(zhì)壓力及擾動頻率的影響

當噴孔的直徑為0.2 mm，孔深為1 mm時，隨著工質(zhì)壓力的增加，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率也隨之增加。

由圖2可知當擾動頻率在2.5 kHz時，射流斷裂距離最短，液滴流呈現(xiàn)出相對均勻的液滴狀態(tài)。

圖2　0.2 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果

圖3為0.3 MPa壓力下不同擾動頻率的試驗結果。從圖3中可以看到當擾動頻率在4.5～5 kHz時，液滴流呈現(xiàn)出相對均勻的液滴狀態(tài)。

圖3　0.3 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果

隨著工質(zhì)壓力的增加，產(chǎn)生均勻液滴的擾動頻率也逐漸增加。產(chǎn)生的均勻液滴的直徑逐漸減小，結果如表2所示。

表2　不同壓力下0.2 mm噴孔的試驗結果

3.2　不同噴孔直徑的影響

噴孔直徑分別為0.2 mm和0.3 mm（如表3所示），在不同工質(zhì)壓力下的噴射試驗結果顯示，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率范圍發(fā)生了明顯地移動。

表3　不同壓力下0.3 mm噴孔的試驗結果

注：工質(zhì)壓力為0.2 MPa時，液滴的平均直徑出現(xiàn)最大偏差為0.018 mm。

由表3和表2的結果對比可知，同樣的工質(zhì)壓力條件下，孔徑越小，噴射阻力越大，相應的射流噴射速度會減小，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率也降低了。均勻液滴流中的液滴的直徑也相應的減小。

3.3　不同噴孔長徑比的影響

設定工質(zhì)壓力為0.2 MPa，噴孔直徑為0.3 mm，孔深分別為0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm時進行噴射試驗。

圖4展示了當噴孔直徑為0.3 mm，孔深為0.5 mm時不同擾動頻率下的射流斷裂情況。

圖4　0.2 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果（孔徑0.3 mm—孔深0.5 mm）

當孔深為0.5 mm時，隨著擾動頻率的增加，射流逐漸從非均勻液滴流到均勻液滴流再到非均勻液滴流的變化非常明顯。擾動頻率在2.5～3.5 kHz的頻率范圍內(nèi)可以得到均勻的液滴流。

由圖5可知，當孔深為1 mm時，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率范圍在4.5～6.5 kHz。由圖6可知，當孔深為2 mm時，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率范圍在1～1.25 kHz。當孔深為3 mm時，擾動頻率在0.5～2.25 kHz的范圍內(nèi)，未出現(xiàn)均勻液滴流，如圖7所示。原因是噴孔的阻力過大，過低的流速導致無均勻液滴流的出現(xiàn)。

圖5　0.2 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果（孔徑0.3 mm—孔深1 mm）

圖6　0.2 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果（孔徑0.3 mm—孔深2 mm）

由于產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率隨著射流速度的增加而增加，由上述實驗結果可知，當孔深為1 mm時，射流速度最大。

當噴孔的長徑比約為3時，通過噴孔的流量達到最大值。

圖7　0.2 MPa壓力下不同擾動頻率的實驗結果（孔徑0.3 mm—孔深3 mm）

4　結論

通過噴射實驗，得到如下結論：

（1）當工質(zhì)射流的噴射速度變化時，產(chǎn)生均勻液滴的擾動頻率也隨之變化。當工質(zhì)射流噴射速度增加時，產(chǎn)生均勻液滴流的擾動頻率會隨之升高。

（2）產(chǎn)生的均勻液滴的直徑大小與噴孔直徑有關，并隨著頻率的增加而減小。

（3）噴孔存在最優(yōu)長徑比，使得通過噴孔的工質(zhì)流量最大。

［1］ Mattick A.T.，Hertzberg A. The Liquid Droplet Radiator -an Untralight weight Heat Rejection System for Efficient Energy Conversion in Space［J］．1982，9（3）：165-172.

［2］ Taussig R.T.，Mattick A.T. Droplet Radiator Systems for Spacecraft Thermal Control［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，1986，23（1）：10-17.

［3］ Massardo A.F.，Tagliafico L.A.，F(xiàn)ossa M.，et al. Solar Space Power System Optimization with Ultralight Radiator［J］．Journal of Propulsion and Power，1997，13（4）：560-564.

［4］ White K A. Liquid Droplet Radiator Development Status［C］．22ndThermophysics Conference. 1987.

［5］ Tsuyoshi T.，Takuya K.，Kensuke W.，Kota N.，et al. Numerical and Experimental Studies on Circulation of Working Fluid in Liquid Droplet Radiator［J］．Acta Astronautica，2006，59：192-199.

［6］ Tsuyoshi T.，Takuya K.，Harunori N.，Isao K. Thermal Design of Liquid Droplet Radiator for Space Solar-Power System［J］．Journal of Spacecraft and Rockets. 2005，42（3）：493-499.

［7］ 劉文巍，黃云，李水清．適用于穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)和燃燒的定頻率單液滴發(fā)生器的研究［J］．工程熱物理學報，2013（08）：1570-1573.

［8］ 魏勝，漆小波，張占文，等．液滴發(fā)生器系統(tǒng)中流速及震蕩頻率的確定［J］．強激光與粒子束，2011，23（7）：1925-1928.

［9］ Plateau J.A.F.Statique Exp’erimentale et Th’eorique des Liquides Soumis aux Seules Forces Mol’eculaires［J］．Gauthier Villars：Pairs，1873，1（1）：2-10.

［10］ Rayleigh J W S. On the stability，or instability，of certain fluid motions［J］．Proceedings of the London Mathematical Society，1879，10（4）：57-70.

［11］ Rayleigh J W S. Further observations upon liquid jets，in continuation of those recorded in the Royal Society’s Proceedings for March and May［J］．Proceeding of the Royal Society of London，1882，34：130-145.

［12］ Keller J.B. Spatial instability of a jet［J］．Physics of Fluids，1973，16（12）：2052.

［13］ Rayleigh J W S. On the instability of jets［J］．Proceedings of the Royal Society of London，Mthematics，1878，10：4-12.

［14］ Yuen M. Non-linear capillary instability of a liquid jet［J］． Journal of Fluid Mechanics，1968，33（1）：151-163.

Experimental Study on Injection Performance of Uniform Droplets

XUE Songling，CHAI Baohua，WANG Zeming，ZHU Jinxin

（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

Diameter，space，velocity and other parameters of droplets，and then the heat radiation performance of the whole droplet layer，are determined by the droplet injection performance of liquid droplet radiator. Utilizing the Rayleigh-Weber jet theory，the frequency range at which uniform liquid droplet flow are output was preliminarily figured out，and the design of this experimental injection device. Through tests，the effects of working medium pressure，disturbance frequency，jet orifice diameter and length-diameter ratio on uniform droplet flow were verified.

Uniform droplet；Injection；Disturbance frequency

V41

A

0258-0918（2021）05-1042-05

2021-04-00

薛松齡（1981—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事空間散熱方面研究