不同聚集因素对燃烧室凝相颗粒粒度分布的影响①

夏盛勇，胡春波，张胜敏，薛 瑞，徐义华

(1.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072;2.南昌航空大学，南昌 330063)

不同聚集因素对燃烧室凝相颗粒粒度分布的影响①

夏盛勇1，胡春波1，张胜敏1，薛 瑞1，徐义华2

(1.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072;2.南昌航空大学，南昌 330063)

设计了一种凝相颗粒收集装置，可对燃烧室内不同聚集状态下的粒子进行完整的收集，并对颗粒的形态影响较小。针对HTPB推进剂，开展了不同流通面积和颗粒浓度条件下的粒子收集实验，利用扫描电镜和激光粒度分析仪，对收集到的粒子进行了分析。结果表明，不同聚集状态下的凝相颗粒粒径均分布在0.1～200 μm之间，随着流通面积的减小，小于3 μm的颗粒逐渐减少，3～10 μm之间的颗粒变化不大，大于10 μm的颗粒逐渐增加，颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大，且d43和d50的变化率也逐渐增加;随着颗粒浓度的增加，颗粒平均粒径d43和d50增大较明显。

固体火箭发动机;聚集状态;流通面积;颗粒浓度;粒度分布;粒子收集

0 引言

含铝复合推进剂燃烧后会产生凝相颗粒，随着高温燃气流动颗粒间会发生碰撞、聚合和破碎作用。聚集状态下由于碰撞概率大大增加，颗粒间的碰撞聚合作用更加明显。颗粒聚集现象在发动机工作过程中也是普遍存在的，如高过载条件下凝相颗粒会在发动机内局部形成高浓度粒子聚集区［1］，复杂装药(如翼槽型)发动机工作过程中深窄通道内的聚集流动。聚集状态下凝相颗粒间的碰撞和聚合作用对粒子的直径分布有很大影响［2］，而聚集状态下的颗粒粒径分布对于发动机的绝热层烧蚀预示及安全性评估都是非常重要的初始参数。

目前，国内外对燃烧室内非聚集状态下的颗粒粒径测量已开展了大量工作［3-7］，但专门针对聚集状态下的颗粒粒径分布研究相对较少。文献［8］采用类似O’Rourke的液滴碰撞模型，对变截面流动通道内的两相流动过程进行了数值模拟。结果表明，流动通道面积的改变，可直接导致颗粒平均粒径的变化。文献［9］利用收缩管使颗粒聚集形成高浓度颗粒流的方法，对不同聚集状态下的颗粒进行了收集，采用不同收缩角的收敛段(出口面积不变)来考察聚集状态对粒度分布的影响。结果表明，聚集状态对颗粒粒度分布具有很大影响，聚集程度越大，颗粒粒度整体变大。文献［10］设计了一种对称双喷管的粒子收集装置，并研究了聚集状态下收敛段沿径向不同部位凝相粒子的粒径分布。通过分析文献［9-10］的粒子收集方法，可发现随流性好的小粒子会随燃气一起喷出，导致收集到的颗粒粒径分布比真实值偏大，同时高速凝相颗粒在进入冷却液的过程中，颗粒的表面形态可能会发生变化。综上可知，不同聚集因素对颗粒粒径的影响程度不同，但由于实验条件和方法的不足，导致各聚集因素对粒径变化的影响规律仍不清楚，绝热层烧蚀计算时仍感数据缺乏。

本文设计了一种凝相颗粒收集装置，可对不同聚集状态下的粒子进行完整的收集，且对颗粒的表面形态影响较小。通过开展不同聚集状态下的颗粒收集实验，获得不同流通面积和粒子浓度条件下的粒径分布规律，为绝热层烧蚀计算提供原始数据。

1 实验方法

1.1 粒子收集实验装置

高过载条件下大颗粒对绝热层的机械冲蚀作用较小颗粒更加明显。因此，文献［9-10］的研究结果对高过载条件下的绝热层烧蚀研究仍具有其应用价值。但为了更加完整准确地研究颗粒对绝热层烧蚀及整个发动机内流场的影响，本文提出了一种新的粒子收集装置，如图1所示。

图1 粒子收集实验装置Fig.1 Particle collection device

实验装置主要由燃气发生器、收敛段、粒子收集罐、排气装置、电磁阀和水箱组成。其工作原理是燃气发生器产生高温凝相颗粒，经收敛段形成颗粒聚集流，喷入粒子收集罐进行一次收集，混合后的气体经排气装置及电磁阀进入水箱进行二次收集。电磁阀主要用于控制实验前的氮气供给及点火时的排气。推进剂点火前关闭电磁阀，保证整个实验系统处于密闭状态，向粒子收集罐内充入工作压强的氮气，用于冻结粒子及提供工作压强，点火的同时打开电磁阀排气，保持工作压强平稳。推进剂燃烧后产生的两相燃气，经燃烧室、收敛段后进入粒子收集罐，常温氮气与两相燃气间进行掺混从而冻结凝相颗粒，由于流通面积的急剧增大，气流及颗粒相速度会降得很低，又由于粒子收集罐较长(约1.5 m)，大大增加了粒子在收集罐内的滞留时间，在重力及流动的影响下，颗粒会与事先用水浇湿的壁面发生接触，从而被储有少量水的粒子收集罐捕获;未被捕获的粒子随气体流经排气装置进入储有大量水的水箱，对粒子进行二次收集;推进剂燃烧结束后，立即关闭电磁阀，待粒子沉淀一段时间，再重新打开电磁阀排气;排气结束后，对收集罐及水箱中的粒子进行收集。该装置与文献［9-10］的最大区别在于:采用高压常温氮气冻结凝相颗粒，通过粒子收集罐及水箱对颗粒进行2次收集，保证了收集粒子的完整性，同时避免了冷却液对颗粒形态的影响。

1.2 实验方案

本文通过改变收敛段的出口面积来调节聚集状态下粒子的流通面积，通过改变推进剂含铝量来调节聚集状态下的粒子浓度。为研究聚集状态下不同流通面积和浓度对粒径变化的影响，共设计了6次实验，如表1所示。其中，D为收敛段出口的直径。实验1为燃烧室非聚集状态粒子收集实验，实验2～6为聚集状态下的颗粒收集实验。其中，实验1～5为不同流通面积条件下的颗粒收集实验，实验5、6为不同粒子浓度条件下的颗粒收集实验。采用HTPB推进剂产生高温凝相颗粒，推进剂采用端面燃烧方式，端面直径为50 mm，设计工作压强均为5 MPa。

表1 实验工况Table 1 Experiment condition

2 实验结果及分析

图2为实验1的压强-时间曲线。从图2可见，推进剂约在8.2 s时刻点火，11.6 s时刻燃烧结束，燃烧时间约为3.4 s，推进剂点火前充入氮气压强为4.9 MPa，在推进剂燃烧过程中压强略微有所上升，但变化不大，基本保持平稳，平均工作压强为5.4 MPa，其余实验的压强-时间曲线与实验1基本相同。压强曲线可说明本文实验方法能较好地保持平稳的工作压强，从而可忽略压强变化对粒径的影响。

图2 实验1压强-时间曲线Fig.2 Pressure vs time in the No.1 experiment

2.1 颗粒形态分析

为了解凝相颗粒的具体形态及颗粒间相互作用的具体方式，采用FEI-Quanta-600F扫描电镜对收集到的粒子进行了形态分析，图3为不同大小颗粒的扫描电镜照片。从3幅照片中可看到，推进剂燃烧产生的凝相颗粒呈多尺度分布，不同尺度大小的粒子基本都呈球形，小粒子表面比较光滑，而大颗粒表面却略显粗糙，未发现严重变形或扁平的颗粒。可见，本文的冷却介质对颗粒的形态影响较小。从图3(b)中可看到，在一个约为25 μm的大粒子上粘有很多的小粒子，且有部分小粒子镶嵌到大颗粒内部;图3(c)展示的是一个直径约为100 μm的大粒子。仔细观察可发现，粒子表面含有裂纹，同时还有一些融入其内的小粒子，说明聚集状态下凝相颗粒间的碰撞聚合作用会造就大颗粒的生成。

2.2 颗粒粒度分析

运用基于完全米氏(Mie)散射理论的Mastersizer 2000激光粒度分析仪，对收集的粒子进行粒度测量。

图4示出了5种不同流通面积状态下的颗粒粒度体积分布。从图4可看出，不同流通面积状态下的颗粒粒径均呈双峰分布，主要集中在0.1～200 μm之间。随着流通面积的减小，0.1～5 μm之间的颗粒逐渐减小，5～200 μm的颗粒逐渐增加，颗粒粒径整体变大。

图3 收集粒子的扫描电镜照片Fig.3 SEM of collected particles

图4 不同流通面积条件下的粒度体积分布Fig.4 Diameter volumetric distribution under different flow cross-section area

表2给出了不同流通面积条件下的平均工作压强及相应的颗粒粒径参数。其中，d43为质量平均粒径，d50为质量中间直径。从表2可看到，随着流通面积的减小，小颗粒峰值粒径变化非常微小，均在1.5～2 μm之间，而大颗粒峰值粒径变化相对较大，由13.8 μm增大到 26.3 μm。

设推进剂燃面直径与收敛段的出口直径之比为K，则K值反应了颗粒流通面积的变化程度。对于本文实验，K=50/12=4.2，d43=15.15 μm。文献［9］中3.99 MPa 工况，K=95/25=3.8，d43=140.6 μm。文献［10］中7.5MPa工况，K=188/50=3.76，d43=26.48 μm。可见，3种工况的K值基本一致，而d43却相差较大，从小到大的顺序为本文＜文献［10］＜文献［9］。这一结果正好验证了颗粒收集方法的分析结果，同时也说明了本文的颗粒收集方法更加准确，粒径测试结果更加符合真实的颗粒粒径分布。

图5展示了表2中的平均粒径d43和d50随流通面积的变化情况。从图5可看出，随着流通面积的减小，颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大，且d43和d50的变化率也会逐渐增加，即流通面积越小，d43和d50就越大，同时d43和d50增大的幅度也越大。颗粒平均粒径与流通面积之间并不呈线性关系，而是随着流通面积的减小呈曲线递增的关系。这也说明了随着流通面积的减小，颗粒间的碰撞聚合作用会更加明显。

图5 颗粒平均粒径随流通面积的变化Fig.5 Average diameters vs flow cross-section area

图6给出了表2中不同粒径范围的颗粒体积率随流通面积的变化情况。从图6可看到，随着流通面积的减小，小于3 μm的颗粒逐渐减少，3～10 μm之间的颗粒变化不大，大于10 μm的颗粒逐渐增加，且流通面积越小，小于3 μm和大于10 μm的颗粒体积率减小和增大幅度也越大。可见，随着流通面积的减小，聚集程度的增强，颗粒间的碰撞聚合作用逐渐增强，在颗粒粒度分布曲线上表现为小于3 μm的颗粒与其他颗粒发生聚合作用，生成大于10 μm的颗粒，3～10 μm之间的颗粒基本维持不变，颗粒整体粒径增加。

2.2.2 颗粒浓度对粒度的影响

通过改变推进剂含铝量来研究不同颗粒浓度对聚集状态下粒径变化的影响，分别为10%和17%，采用相同的收敛段。图7展示了不同粒子浓度条件下的颗粒粒度分布情况。从图7可看出，2种颗粒浓度状态下的颗粒粒径均呈双峰分布，主要集中于0.1～200 μm。随着颗粒浓度的增加，小于10 μm颗粒呈减少趋势，而大于10 μm的颗粒呈增加的趋势，颗粒粒径整体增加。

表3给出了不同颗粒浓度条件下的颗粒粒径。从表3可看到，小颗粒峰值粒径变化很小，而大颗粒峰值粒径变化较大。当颗粒浓度增加约1.7倍时，d43增加约1.8倍，d50增加约2.9倍。可见，颗粒浓度对粒径的影响是非常显著的，随着颗粒浓度的增加，颗粒平均粒径d43和d50均呈增大趋势。

图6 不同粒径范围的颗粒体积率随流通面积的变化Fig.6 Volumetric percentage of different particle diameter vs flow cross-section area

图7 不同粒子浓度条件下的粒度体积分布Fig.7 Diameter volumetric distribution under different particle concentration

表3 不同颗粒浓度条件下的颗粒粒径Table 3 Particle size under different particle concentration

3 结论

(1)设计了一种凝相颗粒收集装置，该装置可对燃烧室内非聚集状态和不同聚集状态下的凝相颗粒进行完整的收集，并对颗粒的形态影响较小，粒度测量结果较文献［9-10］更加准确。

(2)颗粒形态分析表明，不同尺度下的颗粒均呈球形，小颗粒表面规则光滑，而大颗粒表面却略显粗糙，同时大颗粒表面镶嵌有许多小粒子。

(3)随着流通面积的减小，小于3 μm的颗粒逐渐减少，3～10 μm之间的颗粒变化不大，大于10 μm的颗粒逐渐增加，颗粒平均粒径d43和d50均逐渐增大，且d43和d50的变化率也逐渐增加。

(4)随着颗粒浓度的增加，小于10 μm颗粒呈减少趋势，大于10 μm的颗粒呈增加趋势，颗粒平均粒径d43和d50增大较明显。

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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。

国家自然科学基金资助项目(50976095)。

夏盛勇(1987—)，男，博士生，研究领域为航空宇航推进理论与工程。E-mail:xishengyong@126.com

(编辑:薛永利)