压力对离心式喷注器雾化特性影响的试验研究

石召新，毛晓芳

(北京控制工程研究所，北京 100190)



压力对离心式喷注器雾化特性影响的试验研究

石召新，毛晓芳

(北京控制工程研究所，北京 100190)

针对不同入口压力对喷注器雾化特性的影响的问题，对某一双组元姿控推力器的离心式喷注器进行大气环境下不同入口压力的雾化试验.高速摄影试验对喷注器雾化形成过程进行了拍照与分析，PDA试验对喷注器稳态工作时的雾化特性进行了测量与分析，并对试验结果进行了拟合计算.试验结果表明该喷注器有良好的雾化性能，入口压力的增加使得喷雾场可以更加快速的形成和稳定，雾化锥角变大，雾化质量更好，但是变化趋势随压力增大而减缓；计算得到的关系式可预测该喷注器不同工况下液滴的索太尔平均直径，对喷注器优化设计有一定的指导意义.

双组元离心式喷注器；喷雾特性；三维粒子动态分析；高速摄影

0 引 言

随着航天科技的发展，新一代大型、长寿命卫星对双组元姿控推力器的稳态及脉冲工作性能提出了更高的要求.液体火箭发动机工作过程涉及到流动、雾化、燃烧及传热等多个过程.推进剂雾化是直接影响推力器比冲、可靠性与寿命的关键过程[1].喷注器是液体火箭发动机的关键部件之一，是进行推进剂流量控制和雾化的单元.同轴离心式喷注器以其良好的雾化性能和稳定性在不同推力量级的液体火箭发动机中得以广泛应用[2].为提高发动机的工作性能，通常需要对喷注器进行良好设计，尤其要对喷注器的雾化性能进行详细的研究.

本文通过高速摄影和三维粒子动态分析仪(PDA,particle dynamic analyzer)对某10 N姿控推力器的双组元离心式喷注器的雾化特性进行了大气环境下不同入口压力下的冷试试验，研究了喷雾形成的瞬态过程及稳态工作时喷雾的锥角、当量角、轴向速度、切向速度、数密度以及液滴索太尔平均直径(D32)等物理量随入口压力变化的变化规律.

1 试验方法与原理

1.1 喷注器简介

本文研究对象为某10 N姿控推力器的双组元离心式喷注器，采用双旋涡离心喷嘴结构，图1为该结构简图[3].喷注器工作时，液滴在喷注器内部经过旋流槽后进入集液腔内，依靠喷注器内外压力差将液体压出喷口，由于离心力的作用，液体射流形成很薄的锥状液膜，射流运动过程中，受空气动力，表面张力等作用影响，破碎形成液滴.双旋涡离心喷嘴结构具有雾化效果好，喷雾场分布均匀，以及便于在燃烧室壁面组织液膜冷却等优点.

图1 双组元离心喷注器简图Fig.1 Bi-centrifugal swirl injector

1.2 试验系统与试验方法

试验在小流量喷雾台上进行.氧化剂和燃烧剂使用去离子水当模拟液，高压氮气供给.为了研究不同入口压力时喷注器的动态响应过程，采用高速摄影装置对雾化形成过程进行了拍摄.高速摄影使用Optronis公司的CR450×2高速摄影仪，曝光速率选取1 kHz，图片分辨率为512×512像素.对喷注器在0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa入口压力下的雾化形成过程进行拍摄.

PDA系统测量原理如图2所示，使用氩离子激光器做激光光源，发出的激光经分光器分光和频移，由发送器发出，激光聚焦于一点，假定已知入射光波长λ、两束激光夹角θ，粒子通过相干的激光形成的测量体时，测量点激光发生干涉，干涉条纹间距是df

(1)

当粒子以速度U垂直穿越测量点时会产生散射光，散射光的频率fD和粒子穿越测量的点垂直速度U成正比

(2)

光电接收器接收信号，得到相应的多普勒频率，进而可以测得粒子的速度.将发射器和探测器数量增加，可以测得多方向的速度，不同探测器接收信号的多普勒频差相同，但相位不同，相位差正比于粒子直径，这就是PDA的测量粒子直径的原理[4].

图2 PDA试验原理图Fig.2 Sketch of PDA

试验对0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa喷射压力下喷注器雾化结果进行测量.PDA只能测量粒子状态的物理信息，因此不能测量液膜区域的物理量，射流喷出形成液膜，液膜破碎最终形成液滴，其分界线大约在喷注器出口下游4 mm左右，因此试验选取的测量位置位于喷注器出口下游4 mm，7 mm，10 mm三个垂直于喷雾场轴线的截面.

2 喷注器动态响应分析

图3～5列出了喷注器外路在入口压力分别为0.4 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa时的雾化形成过程.从图中可以看出，启喷后，没有形成旋流，因此喷出后雾化质量较差.一段时间后，液体经旋流槽后再被喷出，此时液体具有周向速度，喷出后形成锥状液膜.液膜表面形成表面波纹，波纹振幅逐渐增大，液膜表面破碎形成液滴.启喷初期雾化锥角较小，雾化质量较差，启喷3 ms后雾化锥角均达到稳定状态.

比较不同压力下的雾化过程，可以看出，随着喷射压力的增加，雾锥的形成速度更快，喷注入口压力为0.4 MPa的工况下，t=0.5 ms时液体刚刚喷出，而入口压力为0.8 MPa的工况下，t=0.5 ms时已经可以看到液膜锥的形成.随着喷射压力的增加，射流张角变大，破碎距离减小.图3中，t=4.0 ms图片可以到破碎后有一些深色的区域，原因是入口压力较小，射流速度小，喷雾前端存在喷射初期形成的大颗粒低速液滴，其造成的液滴碰撞粘合导致喷雾前端雾化质量恶化.对破碎后的区域灰度直方图分析可以得出，入口压力更大时，液膜破碎后的区域灰度分布更均匀，表示雾化粒子尺寸更均匀.

图3 入口压力0.4 MPa时外路雾化过程Fig.3 Outer atomization at 0.4 MPa

图4 入口压力0.6 MPa时外路雾化过程Fig.4 Outer atomization at 0.6 MPa

图5 入口压力0.8 MPa时外路雾化过程Fig.5 Outer atomization at 0.8 MPa

3 喷注器稳态喷雾特性

3.1 试验结果

根据PDA结果可以绘制液滴速度、直径等物理量的分布图.这里选取了喷注器外路0.5 MPa和0.8 MPa 入口压力时出口下游4 mm处的一些雾化特性的物理量的分布图.

图6～7是入口压力为0.5 MPa和0.8 MPa时出口下游4 mm处喷注器外路液滴的速度沿X轴的分布图，液滴轴向速度在雾锥边缘处较大，中心和外围较小.雾锥中心甚至出现负速度，这是离心式喷注器喷雾的特点，其原因是由于喷注器旋流器作用，头部流场出现明显的回流区，在中心和外围处回流作用较为明显，中心处粒子由于粒径非常小，随着喷雾张角大，更容易被回流所裹挟而形成负速度粒子.文献[5]称其受影响程度随供水压力的增加而增大.图6～7显示液滴轴向速度与切向速度均随入口压力的增大而增大.切向速度影响液滴受离心力的大小，因此在入口压力大时雾锥锥角有变大的趋势.

图8是喷注器外路的粒子数沿X轴方向分布图.图形呈马鞍形，粒子数的峰值处即对应实际雾锥的边缘.从外路分布图中可以看出，峰值的位置随压力的增大向外移动.粒子数相同时，入口压力较大的曲线上点的位置离中心轴更远.可以认为随着压力的增大，雾化锥角有变大的趋势.

图6 外路液滴轴向速度分布图Fig.6 Axial velocities of outer sprays

图7 外路液滴切向速度分布图Fig.7 Tangential velocities of outer sprays

图8 外路液滴数密度分布图Fig.8 Droplets counts of outer sprays

图9是雾化液滴的D32沿X轴方向分布图.离心式喷注器雾化场中心，即轴线处的液滴D32较小.随着喷射入口压力的增加，雾锥中心的D32有所降低.整体而言，0.8 MPa时除雾锥中心处，各个点的D32分布较为均匀.表示入口压力增大使得喷注器外路液滴直径分布变得更加均匀.

图9 外路液滴D32分布图Fig.9 D32 of outer sprays

3.2 试验数据分析

入口压力的变化使得喷注器流量随之改变，速度变化.压力由0.5 MPa增至0.8 MPa，4 mm处外路液滴轴向速度峰值由3.10 m/s增至4.46 m/s，增大了43%；内路液滴变化量相对较小.仅增大了15%.切向速度外路增大33%，内路增大24%.

PDA测量的D32是各个点的统计平均值，若想得到整个喷雾场的D32，需要进行转换，文献[6]给出了转换公式

(3)

式中cxi为每条线上第i个测点处的液滴数量密度.

表1为根据公式计算的喷注器外路和内路在不同入口压力工况下三个截面处的D32.表1显示出喷注器内外路喷雾场中不同截面D32均随喷射压力的增大而减小.由于卷吸效应，下游小尺寸雾滴也会回流到上游，从而导致上游测量得到的液雾粒径偏小；同时下游小液滴会聚合形成较大的液滴，最终导致测量得到的液雾的D32随轴向尺寸的增大而变大.在不同入口压力下，D32均随轴向距离的增加而略有增大，说明液滴在这个区域内运动的过程中，相比于二次雾化破碎，液滴聚合导致液滴尺寸增大对平均粒径的影响更大.喷注入口压力增大的过程中，液滴聚合导致D32增大的速率逐渐减小.原因是液滴运动速度的增加，减缓了液滴的聚合现象.

表1 各截面索太尔平均直径

雾化当量角不同于雾化锥角，它是考虑了液滴质量通量的锥角计算，描述了雾化锥角内部液滴分布的均匀性.雾化当量角φ的计算表达式为

(4)

式中，θ表示雾化锥角弧度制的角度，yi是相应位置采样得到的液滴总体积[7].

图10 雾化当量角Fig.10 Equivalent cone

图10显示外路当量角略大于内路，喷注入口压力增大时，变化趋势与雾化锥角一致：逐渐增大.雾化锥角与当量角都是表征雾化液滴分散情况的，液滴所受离心作用的大小与液滴切向速度的平方成正比，因此，引起雾化锥角与雾化当量角变化的根本原因是液滴切向速度的变化.试验结果显示外路切向速度相较于内路更大，因此外路雾化锥角和当量角均大于内路.随着入口压力的增大，切向速度增大，且外路增大较为明显，因此雾化锥角和当量角的变化也更大.

3.3D32拟合关系式

研究表明，喷雾的D32和We，Re，Q等无量纲参数存在一些相关关系

D32/d0=AQaKbRcWd

(5)

最终取c=-0.02，d=-0.198 9，得到拟合关系式

(6)

图11 D32与喷注器出口流速的非线性拟合Fig.11 Nonlinear fitting curve of D32 and velocity of flow

将拟合数据与试验结果对比，最大误差为2.98%，该拟合关系式可以用于此喷注器内外路不同压力和流速的D32的预测.

4 结 论

本文采用了三维粒子动态分析仪与高速摄影仪对某双组元离心式喷注器内外路喷嘴在不同喷射压力下的雾化特性进行了试验研究，使用去离子水作为推进剂的模拟工质，试验得到了内外两路雾化形成过程，雾化锥角，液滴三维速度及液滴尺寸分布随着喷射压力增大的变化规律.

(1)随着喷射压力的增加，射流锥角与当量角均增大，但增长趋势逐渐变缓，压力增高到一定数值时，角度变化不明显；

(2)喷射压力的变大使得液滴的D32变小，且液滴尺寸分布更均匀，雾化质量更好；

(3)随着喷射压力的增加，使得喷注器的动态响应速度变快，这对喷注器脉冲工况下的雾化是有一定积极作用的；

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Experimental Investigations on Atomization Characteristics ofBi-Centrifugal Pressure Swirl Injector

SHI Zhaoxin， MAO Xiaofang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190， China)

To investigate the relationship between the inject pressure and the spray atomization characteristics, a series tests are taken on a bi-centrifugal swirl injector, which works in different injection pressures. The generation and evolution process of the spray are experimentally studied by high-speed photography trials. And the PDA (Phase Doppler Anemometry) tests focus on the stable spray characteristics. On the basis of the experimental results, an equation is developed via nonlinear fitting calculation. The test results show that the injector has good atomization characteristics. Increasing injection pressure makes the spray form more quickly and the spray cone angle becomes larger. The equation can use for predicting theD32of this bi-centrifugal swirl injector in different situations, which could provide data for designer.

bi-centrifugal swirl injector; atomization characteristics; PDA; high-speed photography

2015-04-21

V231.3

A

1674-1579(2015)06-0052-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.06.010

石召新(1989—)，女，硕士研究生，研究方向为航天器推进；毛晓芳(1971—)，女，研究员，研究方向为航天器推进技术.