对撞喷嘴喷雾场周向分布特性的实验研究

赵 娜，余永刚，陆 欣，李善德

（1.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京210094；2.西昌卫星发射中心文昌发测站，海南 文昌571300）

为了适应微小型航天器的发展需要，目前许多国家正在竞相开发体积小、比冲高、环保性好和安全性高的化学微推进系统［1］。美国NASA、欧洲航天机构等进行了多次试验和初步评估［2］，认为硝酸羟胺（HAN）基系列液体推进剂是最具潜力的一种，它无毒、比冲高、价格低廉，有望成为新一代高能绿色推进剂。为此，对于HAN基推进剂的雾化特性国内外学者展开了一系列的研究工作［3－5］。

撞击式喷嘴利用射流的动能实现液柱的破碎，具有响应快、混合和燃烧迅速、易于制造等优点，目前被广泛应用于液体火箭发动机、电厂锅炉、园林加湿造景等领域。关于对撞喷嘴的研究主要是围绕对撞角度和喷射条件对雾化特性的影响而展开。黄镇宇等［6］对大容量的撞击式水煤浆雾化喷嘴进行了试验研究，分析了喷嘴内各主要结构参数对喷嘴雾化特性的影响。王端等［7］采用粒子图像测速技术对入射管直径为3mm、混合腔直径为16mm的T型撞击流混合器内的流动特性进行了研究，考察了不同流速比和撞击轴线上方空间条件下混合腔内的速度和湍流动能分布。结果表明，在相同入射管直径和流速下，撞击驻点位于混合腔中心处。Alekseenko等［8］使用PIV技术试验研究了湍流旋流撞击射流的结构，主要分析了旋流速率对流动结构的影响。

关于喷雾场分布均匀性问题，Cohen等［9］在高温高压下测量了燃气透平喷嘴雾化场的空间分布特性。在大功率条件下，设计并实验了燃油雾化场质量流量的均匀分布情况。Chen等［10］在喷射压力0.34～1.72MPa范围内，对5个喷口长径比为0.5～4.0的压力式雾化喷嘴进行了液滴周向分布测量。实验结果表明：在高喷射压力下，雾化均匀性显著提高；同时，当喷嘴喷口长径比为1.5～2时，液滴周向分布均匀性最佳。Locke等［11］应用平面激光诱导成像和平面Mie散射技术，研究了高压燃气透平燃烧室内燃油喷嘴雾化场的燃料分布特性。本文采用对撞式喷嘴，借助相位多普勒粒子动态测试仪（PDA）实验系统，研究了液体推进剂模拟工质在大气环境中的雾化分布特性，侧重分析前人研究较少的喷雾场参数周向分布特性。

1 实验装置

实验装置框图如图1所示，由高压气源提供喷射压力，液体介质储存在耐压储液罐中。实验时先打开液体阀门，调节喷嘴前压力到指定值。待雾化稳定后，对相位多普勒粒子动态分析仪（PDA）实验系统先手动调焦，使测量原点位于喷嘴出口中心处；然后在PDA配套的BSAFlow软件中设置测量点坐标，系统便可自动测量并采集需要的雾化液滴数据。实验喷嘴为两股圆柱形对撞射流喷嘴，喷孔直径为0.23mm，中心距为3mm，射流撞击驻点距喷孔表面距离为5.6mm。

图1 喷雾实验系统框图

2 实验结果及讨论

实验液体工质为HAN基液体推进剂模拟工质，借助PDA开展对撞喷嘴雾化特性的实验研究。其中，PDA速度测量范围为－300～1 000m／s；粒径测量范围为0.5～200μm。图2给出了实验系统的坐标系与数据处理的周向角定义图。

图2 数据处理坐标系说明

坐标轴确定方法如图2（a）所示。喷嘴出口方向为z轴，其中心点为z轴起点。垂直于z轴的截面视为xoy平面，在该平面内与z轴相交且平行于PDA测试光线方向为x轴，y轴垂直于测试光线。x轴、y轴和z轴三者方向符合右手螺旋关系。

为了说明雾化场参数的周向分布特性，定义图2（b）所示周向角度α，取x轴正向为0°，x轴负方向为180°，沿逆时针方向为正方向取角。

2.1 液滴雾化参数周向分布特性

液滴尺寸与分布是衡量雾化质量的重要标准之一，通常采用液滴尺寸分布表达式或者液滴平均直径来评价雾化质量和表示雾化特性。在推进与动力装置喷雾中最常用的是索特尔平均直径D［12］32，其物理意义是表示与颗粒群粒形相同、比表面积相同的一个颗粒粒度：

式中：N是直径为D的液滴数目，通常取Dmin＝0。

对撞射流形成的喷雾场，其周向分布一般是不均匀的。现以z＝80mm轴向截面为例，当喷射压力为2.2MPa时，x－y截面各个方向上测点处液滴索特尔平均直径D32的分布如图3所示，图中每个小方块代表测量点区域。由实验系统环境及操作条件引起的速度测量精度最大不超过0.1%；粒径测量精度在1%以内。

图3 喷雾场x－y截面液滴D32分布云图（p＝2.2MPa，z＝80mm）

由图3可见，沿同一径向方向，即测点1、2、3处，液滴D32先增大后减小。同时还可以看出，在同一测量半径上，测点2（α＝270°），D32约为100μm，而在测点4（α＝180°），D32约为70μm。这说明对撞射流在碰撞截面和垂直于碰撞面方向上的液滴D32大小有较大差异，反映了液滴空间数密度和液滴群碰撞聚合破碎的耦合特性。

图4～图6分别给出了液滴D32、液滴轴向速度vz和径向扩散速度vr在0.8～2.6MPa喷射压力条件下，在距离喷嘴z＝50mm和z＝100mm轴截面上，离喷嘴中心轴线径向距离r＝10mm周向上的分布特性。

综合图4（a）和图4（b）可见，在较低喷射压力下，液滴D32的分布均匀性随着轴向距离的增加而改善；在较高的喷射压力下，距离喷嘴越远处，液滴D32的周向分布均匀性越差。

从图4可以看出，液滴D32随着喷射压力的增加而减小，且液滴D32沿周向分布是不均匀的。统计学中，当样本数较少时，可以采用极差对物理量的离散程度进行定性分析，极差值越大说明离散程度越大，反之，离散程度越小。定义ΔD32＝D32，max－D32，min，表示同一条件下液滴粒径分布的极差大小。表1给出了不同喷射压力和不同轴截面上液滴粒径分布极差值。

图4 液滴D32在不同喷射压力下的周向分布特性（r＝10mm）

表1 液滴粒径D32分布极差

由表1可以看出，在研究的喷射压力范围内（0.8～2.6MPa），距离喷嘴不同轴截面上，液滴粒径极差值均是随着喷射压力的增大先减小后增大，说明液滴粒径分布离散程度随着喷射压力的增加先减小后增大。同时可以看出，在较低喷射压力下（p＝0.8～1.8MPa），液滴粒径分布离散程度随着轴向距离的增加而减小；在较高喷射压力下（p＝2.2～2.6MPa），液滴粒径分布离散程度随着轴向距离z的增加而变大。

图5和图6所示的液滴轴向速度vz和液滴径向扩散速度vr表现出了和液滴D32相似的周向分布变化特性。在较低喷射压力下，vz和vr分布均匀性随着轴向距离的增加而改善；在较高的喷射压力下，vz和vr分布均匀性随着轴向距离的增加变差。从图中还可以看出，在距离喷嘴较近处z＝50 mm，液滴vz和vr随压力变化不大。在距离喷嘴较远截面上z＝100mm，液滴轴向速度vz随着喷射压力的增加而增加，液滴径向扩散速度vr随着喷射压力的增加而减小，但是当压力高于1.8MPa后，轴向和径向速度值随喷射压力的变化也不明显。

图5 液滴vz在不同喷射压力下的周向分布特性（r＝10mm）

图6 液滴vr在不同喷射压力下的周向分布特性（r＝10mm）

2.2 喷雾场周向分布特性的表征方法

关于喷雾场周向分布均匀性国内外学者研究较少，本文采用 RNI（Radial Nonuniformity Index）理论［13］来定量表征喷雾场参数周向分布均匀性问题。以物理量λ为例，其RNI表达式：

式中：s（λ）表示标准差；λmax，λmin分别表示λ测量值的最大值和最小值是测量算术平均值。由式（2）亦可以看出RNI（λ）介于0到1间，RNI（λ）值越大说明分布均匀性越差。

借助RNI理论，对p＝0.8～2.6MPa喷射压力范围内液滴雾化参数D32，vz，vr沿喷嘴轴向的变化规律进行了分析。为了研究方便，本文采用无量纲轴向距离z／Z（Z＝120mm）为横坐标进行说明。

图7给出了不同喷射压力下喷雾场周向（r＝10mm）液滴雾化参数的RNI值沿轴向的变化特性。由图7（a）可见，在0.8～1.8MPa的喷射压力下，RNI（D32）值随着轴向距离的增加而减小；在2.2～2.6MPa喷射压力下，RNI（D32）值随着轴向距离的增加而略有增加。这说明在沿轴向x－y平面内，在较小喷射压力（0.8～1.8MPa），液滴粒径的周向分布均匀性随着轴向距离的增加而改善；在较高喷射压力（2.2～2.6MPa），则规律性相反。RNI（vz）和RNI（vr）的轴向变化规律与 RNI（D32）类似。

图7 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的轴向分布特性

综上所述，RNI表征结果与图4～图6的实验结果是一致的，说明采用RNI理论可以对液雾场周向分布特性进行表征，它比常规方法简便很多。由图7还可以看出，在p＝0.8～1.8MPa喷射压力条件下，RNI（D32）、RNI（vz）和 RNI（vr）的值在z＝80mm后随z的增加变化比较小。

图8给出了喷射压力p＝1.8MPa条件下，在不同轴截面上 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）沿径向的分布规律，横坐标r／R（R＝30mm）为无量纲径向距离。由图8（a）可见，在本文研究的径向范围（r＝5～25mm）内，对于z＝50mm 轴截面处，RNI（D32）随着径向距离r的增加先减小后增大；在r／R＝0.17，即r＝5mm 周向上，RNI（D32）＝0.545；r＝15mm 处，RNI（D32）＝0.528；r＝20 mm处，RNI（D32）＝0.626。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）值随着r的增加基本不变，维持在0.52左右范围内。这说明在此喷射压力和研究的径向距离范围内，在z＝50mm截面上，距离中心轴线越远处，液滴D32的周向分布均匀性越差；在z＝80～100mm截面上，液滴D32的周向分布均匀性随r的变化不大。这说明在该喷射压力下，z＝50mm截面上，在r＝25mm的径向位置处已经接近雾场锥形分布的边缘处，由于该处是分散的较小粒径液滴，所以分布均匀性比较差。而z＝80～100 mm处于雾场湍动充分发展后的主体段，在r＝25 mm的径向范围内液滴粒径分布比较均匀。

图8 RNI（D32），RNI（vz），RNI（vr）的径向分布特性（p＝1.8MPa）

液滴径向扩散速度vr沿径向的周向分布特性和D32类似，如图 8（c）所示。由图 8（b）可见，RNI（vz）值在各截面上均是随着r的增加先增大后减小，但有一定波动性。这说明在研究的轴截面上，液滴群轴向速度沿径向的分布均匀性的总体趋势是先变差后改善。

由 图 8 还 可 以 看 出，RNI（D32），RNI（vz）和RNI（vr）值在z＝80～100mm截面上均比较接近，与图7所示相关结果相同。这说明喷雾场在z＝80mm已处于雾化主体段，其后一定轴向距离范围内的雾场参数分布特性比较类似。由于z＝50mm截面离对撞面较近，其上的参数分布波动性比较大。

3 结论

在本文的实验条件下，可以获得如下结论：

①对撞射流形成的喷雾场，其雾化参数的周向分布是不均匀的，它与喷射压力、空间坐标等密切相关。在r＝10mm周向上，p＝0.8～1.8MPa喷射压力范围内，液滴雾化参数D32，vz，vr的分布均匀性随着轴向距离的增加而改善；p＝2.2～2.6MPa喷射压力范围内，距离喷嘴越远处，液滴雾化参数的周向分布均匀性越差。

②采用RNI理论研究雾化场周向分布均匀性比常规方法更简便。研究结果表明，p＝1.8MPa时，在本文研究的径向范围内（r＝5～25mm），z＝50mm轴截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）的值均是随着径向距离r的增加先减小后增大，说明距离中心轴线越远处，其周向分布均匀性越差。在z＝80～100mm截面上，RNI（D32）和 RNI（vr）随着r的增加变化很小，维持在0.52±0.02范围内，其周向分布均匀性随r的变化不大。RNI（vz）值在各截面上均是随着r的增加先增大后减小，但有一定波动性，这说明vz在雾场各轴截面上分布均匀性的总体趋势是随着径向距离的增加先变差后改善。

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