液体工质喷雾特性的测量与分析_余永刚

国陆军弹道所研制, 用于再生式液体发射药火炮. 围 绕 H AN 基液体推进剂的喷射雾化特性, 国内外学 者开展了一系列研究工作, Brik A [ 5] 采用 X 光摄影 技术观测了射流核结构; 金志明[ 6 ] 、张玉荣[ 7] 等人采 用阴影照相法、脉冲 X 射线法研究了圆柱形和环形 射流的扩展形态及射流核破碎结构; 王中伟[ 8] 采用 激光衍射瞬变喷雾场测量系统, 进行了环形喷嘴雾 化特性的研究; 余永刚[ 9] 采用激光全息摄影技术定 量测试 H AN 基液体推进剂环形射流喷雾场的颗粒 分布特性. 本文以液体火箭发动机为背景, 借助粒子 动态分析仪 PDA, 分别研究模拟工质圆柱形射流和 对撞射流在大气中的雾化特性.
图 5 液滴 D32径向分布图( z = 35 mm)
图 9 不同喷孔直径情况下液滴 D32轴向分布图
图 6 液滴 D32 径向分布图( z = 75mm ) 图 7 液滴速度径向分布图( z = 35 m m)
图 10 不同喷孔直径情况下液滴速度轴向分布图
在轴向距离 z = 65 m m 处, 雾滴 D 32 、v 沿径向 的分布如图 11、图 12 所示. 由图可 见, 随着径向距 离的增大, D 32 逐渐减小, 且喷孔直径越小, 雾滴 D 32 衰减越快. v 随径向距离的增大也逐渐减小, 喷孔直 径越大, 液滴速度衰减越小, 但对较小 的喷孔直径 d= 0. 23 m m, v 在径向上波动较大.
由图 3 可 知, 在 喷 射 压 力 p 为 1. 4 MP a、 1. 8 M Pa、2. 2 M Pa 的工 况下, 3 条 曲线 具有 相似 性, 雾滴索特平均直径随喷射压力的增大呈波动状 减小. 这是因为, 增大雾化压力, 提高了雾化能量, 促 进了液体射 流分 裂和液 滴破 碎. 但 在喷 射压 力为 2. 6 M Pa的工况下, 在下游, 雾滴索特平均直径的波 动或增大或减小, 这可能是因为在较高喷射压力下, 喷嘴附近雾滴索特平均直径较小, 在喷雾场下游空 间里, 部分小液滴易于发生二次聚合和破碎, 所以从 图中看出 z 在 45~ 75 m m 这段区 域, D 32 的 值在 30 Lm附近波动. 另外, 由图 4 可知, 喷射压力越大, 液滴速度也越大, 且沿轴向逐步减小.
图 2 PD A 系统组成示意图
2 实验结果及讨论
针对发动机用的 H AN 基液体推进剂, 采用粘 性基本相同的模拟工质在大气 环境中进行喷 雾实 验, 分别研究了单股圆柱形射流和双股圆柱形对撞
图 3 液滴 D 32轴向分布图( d = 0. 23 m m)
图 4 液滴速度轴向分布图( d = 0. 23 mm )
图 1 喷雾实验装置原理图
PDA 是一种利用激光多普勒原理同时测量球形 颗粒尺寸和速度的光学仪器, 具有对喷雾场无接触、 无干扰实时测量分析的功能. 它主要由发射光路系 统、接收光路系统、信号处理系统、全自动一到三维位 移系统、计算机及应用软件 5 大部分组成, 其示意图 如图 2 所示. 采用的 PDA 系统测量单元为 2 mm @ 2 mm, 在这个单元内, PDA 可以测量统计出雾滴三维 速度、直径的直方图, 从而进一步获得雾滴在每个单 元的雾滴特性参数统计平均值, 如: 索特平均直径 D32 和雾滴平均速度等. 随着测量点在流场中移动, 可以 获得整个流场内射流雾化特性分布图.
Measurement and Analysis on Spray Characteristics of Liquid Medium
YU Yong- gang, L I Shan- de, L U Xin, ZH OU Yan- huang
( S chool of Pow er E ngineering, N U ST , N anj ing 210094, China)
图 8 液滴速度径向分布图( z = 75 m m)
图 11 液滴 D 32 径向分布图( z= 65 mm)
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平均直径沿径向变 小, 液滴速 度变大, 但波动性较 大. 然而在同一压力下, 索特平均直径与液滴速度对 应性较好, 如在 p = 0. 8 M Pa 下, 液滴 D 32 较大, 液滴 速度 v 较小. 另外, 在 p = 1. 8 M Pa 下, D 32随径向距 离增大而小幅波动增大, 说明在一定喷射压力下, 液 滴在径向上也存在较强的二次聚合现象.
图 12 液滴速度径向分布图( z = 65 m m)
3) 两股圆柱形对撞射流的雾化特性. 两股圆 柱形 对撞 射流 采用 喷孔 直径 均 为 0. 23 mm , 中心距为 3 mm, 射流撞击点到喷孔表面 距离为 5. 6 m m. 图 13、图 14 分别为不同喷射压力 下液滴 D 32 和 v 的轴向分布图. 由图可见, 喷雾场中 液滴 D 32沿轴向先快速增大, 到达一定距离约 z = 20 mm 处, 缓慢变化, 几乎与 z 轴趋于平行, 这说明对 撞射流在下游空间雾化均匀性较好. 喷射压力越高, 在喷嘴附近的 D 32越小, 特别是在 z = 5 m m 测量点, D 32 的平均值约为 5 Lm, 这说明射流撞击点附近区 域, 液滴破碎很剧烈, 稠密的细小液滴占主体, 而到 z = 15 m m 测量点, D 32 的平均值激剧增大到25 Lm 左右, 说明稠密的小液滴群又发生了聚合. 另外, 液 滴速度沿轴向的变化特性与上述基本相同.
第4期
余永刚, 等 液体工质喷雾特性的测量与分 析
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样, 即压力越大, 雾滴 D32 越小, 雾化效果越好, 但在 z= 75 mm 处, 压力为 1. 4 MPa 工况下, D 32却随径向 距离的增大而增大, 这可能是由于喷射压力小, 液Fra Baidu bibliotek 速度相对较小, 彼此间距很小, 在离喷口较远的区域, 液滴又重新聚合成大液滴的概率提高.
Abstract: T he ex periment of spray char act eristics of simulat ed medium o f H AN- based liquid propellant w as carr ied out by use of Part icle Dy namic A nalyzer( PDA) sy st em s. T he spray charact erist ics of t he cy lindrical jet and imping ing jet in t he at mosphere w ere observed separ at ely. In the ex periment, inf luence o f spray pressur e, nozzle diam et er and spray m odel on at omizat ion w as syst emat ically analyzed, and the ax ial and radial dist ribut ions of droplet s reg arding Saut er mean d-i am et er( D32) and dr oplet s. velocit y ( v) w ere quant itat ively m easured. T he result s show that compared w it h t he cylindrical jet , t he ato mized droplet s o f t he imping ing jet po ssess higher unifor mity at the m iddle and low er spr ay f ield. D32 and v are easy t o achiev e st abilit y. Key words: liquid jet ; spray; dro plet size distribution; dy namic t est
收稿日期: 2009-04-27 基金项目: 国家自然科学基金项目( 50776048) 作者简介: 余永刚( 1963- ) , 男, 教授, 博士生导师, 博士, 研究方向为含能材料燃烧推进理论与技术.
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1 实验装置及测量方法
喷雾实验装置原理图如图 1 所示, 喷射压力由 压缩空气产生, 喷嘴采用直喷孔, 喷射过程由电磁阀 控制. 喷雾场中液滴尺寸分布和液滴速度由粒子动 态分析仪 P DA 按设定的程序自动采样测量.
随着小卫星、行星探测器以及深空探测、星际航
行等空间探测技术的兴起, 要求研制 质量轻, 体积 小, 效率高的微、小推力的推进系统. 微、小推力系统 有多种推进方式, 其中采用液体推进剂的化学微、小 型推进器是航天领域研究的热点之一. 液体推进剂 种类很多, 考虑到环保、经济性和微小型推进器的自 身要求, 世界各航天大国正在寻找廉价、无毒、无污 染以及高比冲液体推进剂. 目前/ 绿色0高比冲单组 元液体推进剂有: H NF 基、AND 基、H AN 基 系列 单元燃料. 美国 NASA、欧洲航 天机构等进行 了初 步试验和评估[ 1~ 4] , 认为 H A N 基系列液体 推进剂 是最具潜力的一种. H AN 基液体推进剂最早由美
图 5~ 图 8 分别显示了喷雾场中液滴 D32 和 v 在 离喷嘴距离 z = 35 mm 与 z = 75 mm 处的径向分布. 由图 5、图 6 可见, 在 z = 35 mm 与 z = 75 mm 处, 雾滴 D 32 随径向距离的增大而逐渐变小. 这是因为, 离喷嘴 距离较近处, 中心轴线附近的液滴数较密集, 碰撞聚 合成大液滴的概率较大, 使得该处的 D 32较大; 射流边 缘的液滴数密度较低, 碰撞聚合成大液滴的概率较 小, 使得该处的 D32 较小. 雾滴 D 32 随压力变化基本一
由图 7、图 8 可见, 雾滴速度随径向距离的增加 而衰减, 随喷射压力的增大, 衰减梯度增大, 且离喷 嘴较远处, 喷射压力最大的雾滴径向速度最小.
2) 喷孔直径对圆柱形射流雾化性能的影响. 现以 p = 1. 4 M Pa 工况 为例, 观 测 喷雾 场中 2 种喷孔直径( d = 0. 23 mm 和 d= 0. 52 mm) 形成 的雾滴参数的变化特性. 图 9、图 10 分别显示雾滴 D 32、v 沿轴向的分布, 由图可见, 随着轴向距离的增 加, D 32 平缓的减小, 但在下游, 喷孔直径较大时, D 32 波动也较大, 主要是液滴的破碎与聚合效应造成的. 液滴速度 v 随轴向距离的增大而缓慢地减小, 喷孔 直径越小, 液滴速度也越小.
第 21 卷第 4 期 2009 年 12 月
弹道学报
Jour nal of Ballistics
Vo l. 21 N o. 4 Dec. 2009
液体工质喷雾特性的测量与分析
余永刚, 李善德, 陆 欣, 周彦煌
( 南京理工大学 动力工程学院, 南京 210094)
摘要: 借助粒子动态分析仪 P DA 系统, 开展了 H A N 基液体推进剂模拟工质喷雾特性的试验研究, 分别观测了单孔 圆柱 形射流和双孔对撞射流在大气中的雾化特性, 研究了 喷射压力、喷孔直径及喷 射模式对雾 化性能的 影响, 定 量 测试了喷雾场轴向、径向雾化液滴的索特平均直 径 D32 和液滴速度 v . 结果表 明, 对 撞射流与单 股圆柱形 射流相比, 在喷雾场中下游空间里雾化液滴均匀度较高, 液 滴 D32 和速度 v 易达到稳定. 关键词: 液体射流; 喷雾; 液滴尺寸分布; 动态测试 中图分类号: T Q038 文献标识码: A 文章编号: 1004-499X( 2009) 04- 0079- 05
射流的雾化性能, 重点观测喷射压力、喷孔直径和喷 射结构对模拟工质雾化性能的影响, 典型结果如下.
1) 喷射压力对圆柱形射流雾化性能的影响. 图 3、图 4 分 别显示了喷孔直径 d = 0. 23 mm 的圆柱形射 流在 不同喷 射压 力下, 喷雾 场中 液滴 D 32 和液滴速度 v 的轴向分布.