陳 君，李國(guó)岫，張 濤，虞育松，丁佳偉，楊 蕊

（1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044；2.北京控制工程研究所，北京100190；3.北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心，北京100190）

1 引言

由于環(huán)境形勢(shì)的日益突出，目前各國(guó)開(kāi)展了綠色無(wú)毒空間推進(jìn)劑的研究［1］，其中二硝酰胺銨基推進(jìn)劑（Ammonium Dinitramide，ADN）以其綠色環(huán)保、比沖和密度比沖高、加注和運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是應(yīng)用于姿軌控衛(wèi)星上的新型推進(jìn)劑［2］。而噴注器作為液體推力器上游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何能夠再進(jìn)一步提升推進(jìn)劑的霧化效果，是一個(gè)值得深入思考的問(wèn)題。目前在許多領(lǐng)域都采用添加金屬網(wǎng)的方式來(lái)提高流固之間的相互作用，不同領(lǐng)域?qū)τ谝旱巫簿W(wǎng)后的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)形式要求各有不同［3?6］。

Amrousse等［7］研究了HAN型綠色推力器內(nèi)催化分解和燃燒過(guò)程，其中在催化床近噴孔區(qū)添加了金屬網(wǎng)，這樣的設(shè)計(jì)不僅可以固定催化劑顆粒，同時(shí)可以增強(qiáng)推進(jìn)劑的霧化效果，增加與催化劑的接觸，計(jì)算結(jié)果表明，金屬網(wǎng)的添加可以有效提升推進(jìn)劑的霧化效果。Yuliati等人［8］通過(guò)在圓管內(nèi)建立了噴霧撞網(wǎng)霧化及燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置，并開(kāi)展了噴霧撞網(wǎng)初步研究。在研究中將金屬網(wǎng)放置在噴霧場(chǎng)的中下游區(qū)域，而非射流連續(xù)液核區(qū)。之后，Mikami等［9］研究基于上述所構(gòu)建射流撞網(wǎng)過(guò)程，采用實(shí)驗(yàn)方法研究不同的噴射速度、金屬網(wǎng)孔隙率等參數(shù)對(duì)于燃料流動(dòng)混合燃燒過(guò)程的影響，并得到當(dāng)金屬網(wǎng)孔隙率為0.3時(shí)，液體燃料能夠較好混合和穩(wěn)定燃燒；并對(duì)比研究了有無(wú)金屬網(wǎng)條件下，液態(tài)燃料混合效率和燃燒穩(wěn)定性，得到金屬網(wǎng)的添加可以有效地改善霧化效果。Carval?ho等［10］采用添加金屬網(wǎng)的方式來(lái)增強(qiáng)霧化效果，研究了材料類(lèi)型、厚度、孔徑、金屬網(wǎng)距離噴嘴距離等對(duì)射流形態(tài)、液滴空間分布的影響，并對(duì)比分析了有無(wú)金屬網(wǎng)對(duì)霧化效果的影響，結(jié)果表明，金屬網(wǎng)的添加可以有效地增強(qiáng)霧化效果。Kumar等［11］采用新型的金屬絲網(wǎng)來(lái)改善傳統(tǒng)的噴霧塔性能，在實(shí)驗(yàn)中選取三種不同配置的金屬絲網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，以期在最小成本范圍內(nèi)提高噴霧塔的性能。

離心式噴嘴雖然具有霧化效果好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其噴出軸向速度較小，霧化效果可能隨著運(yùn)行環(huán)境、具體操作工況等變化。為了能夠進(jìn)一步提高霧化效果，本文將在近噴孔區(qū)添加金屬網(wǎng)來(lái)強(qiáng)化霧化。采用高速攝影對(duì)射流撞網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行采集，采用馬爾文粒度儀獲得液滴的空間分布。在此基礎(chǔ)上，分析網(wǎng)的添加對(duì)射流破碎的影響，以及獲得網(wǎng)目數(shù)對(duì)射流撞網(wǎng)的影響規(guī)律，為后續(xù)將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用于新型綠色空間推力器試驗(yàn)以及仿真計(jì)算提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)裝置與工況

本文建立射流撞網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括蓄壓噴射系統(tǒng)、擾動(dòng)網(wǎng)系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。具體的裝置如圖1所示。擾動(dòng)系統(tǒng)主要包括激光十字水平儀、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、金屬網(wǎng)和高精度可調(diào)十字系統(tǒng)等。本文選取了不同結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)包括24目、60目和100目。水平激光十字儀用來(lái)將擾動(dòng)網(wǎng)放置水平，高度可調(diào)儀可將擾動(dòng)網(wǎng)置于距離噴嘴不同位置處。高精度可調(diào)十字系統(tǒng)由德國(guó)PROXXON公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪精度可以達(dá)到0.05 mm，為試驗(yàn)的精確進(jìn)行提供了可靠的幫助。平均粒徑通過(guò)馬爾文粒度儀獲得，通過(guò)Spraytec軟件獲得平均粒徑值。

圖1 射流撞網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig．1 Test system of jet?flow impinging on the mesh

射流蓄壓噴射系統(tǒng)主要包括氮?dú)馄?、?chǔ)存ADN推進(jìn)劑的液體儲(chǔ)箱、管路以及電磁閥控制系統(tǒng)。擾動(dòng)網(wǎng)系統(tǒng)主要由金屬網(wǎng)夾持固定系統(tǒng)組成。圖像采集和測(cè)量系統(tǒng)包括高速攝影、微距鏡頭、激光粒度儀和筆記本電腦。試驗(yàn)采用同步觸發(fā)裝置，高速攝影的拍攝速率為5000 Hz，曝光時(shí)間為 4 μs。 在試驗(yàn)中，首先噴孔和金屬網(wǎng)貼緊，之后通過(guò)高精度調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整噴孔和金屬網(wǎng)之間的垂直距離，同時(shí)調(diào)整高速攝像機(jī)?微距系統(tǒng)以及激光粒度儀的位置，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 當(dāng)阻隔網(wǎng)為100目時(shí)，射流撞網(wǎng)過(guò)程計(jì)算結(jié)果分析

圖2為高速相機(jī)所記錄的射流撞網(wǎng)過(guò)程動(dòng)態(tài)圖片。將當(dāng)射流與金屬網(wǎng)接觸前的某一瞬間定義為T(mén)0，如圖2（a）所示。隨著時(shí)間推移，射流與金屬接觸的瞬間，由于金屬網(wǎng)的阻隔作用，射流在受到金屬網(wǎng)表面張力的影響后，沿著金屬網(wǎng)徑向鋪展開(kāi)（圖（b）和（c）），而穿過(guò)金屬網(wǎng)的射流，由于受到空間作用力、粘性力和金屬網(wǎng)表面張力的作用后，開(kāi)展逐漸失穩(wěn)，液膜和液絲逐漸破碎成較大的液滴，產(chǎn)生的區(qū)域位于離金屬網(wǎng)較近的區(qū)域（圖（d））。隨著時(shí)間的推移，金屬網(wǎng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)疊加作用逐漸增強(qiáng)，大液滴逐漸破碎成較小的液滴，并逐漸飛濺開(kāi)。同時(shí)從圖（e）到圖（f）中，連續(xù)液核逐漸失穩(wěn)破碎成交織在一起的連續(xù)液膜，并逐漸失穩(wěn)成液絲。金屬網(wǎng)的添加相當(dāng)于在連續(xù)射流的基礎(chǔ)上，外加了一個(gè)強(qiáng)擾動(dòng)，增加了射流破碎霧化的效果。最終達(dá)到如圖（f）所示的穩(wěn)態(tài)結(jié)果。

圖2 射流撞網(wǎng)過(guò)程動(dòng)態(tài)圖像Fig．2 The dynamic image of jet?flow impinging on the mesh

圖3 為射流撞100目金屬網(wǎng)后，液滴分布的特性?？梢钥闯?，液滴粒徑基本符合R?R分布的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。同時(shí)，在300 μm～500 μm時(shí)，所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)較多。

3.2 射流撞網(wǎng)與自由噴射試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖4為同樣試驗(yàn)環(huán)境條件下，射流撞網(wǎng)和自由射流穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析圖。可以看出，自由射流過(guò)程在受到空氣作用力、液體本身粘性和表面張力等的共同作用下，基本呈連續(xù)液柱形態(tài)，伴隨著一定程度的沿徑向的波動(dòng)。而對(duì)于射流撞網(wǎng)過(guò)程，可以明顯看出，連續(xù)液柱在近噴孔區(qū)域就已經(jīng)開(kāi)始破碎成離散液滴，均勻地分布在網(wǎng)的下游區(qū)域，并成56°的散角。同時(shí)可以將射流撞網(wǎng)過(guò)程分為以下幾部分：首先是未接觸網(wǎng)時(shí)的自由流動(dòng)區(qū)；之后當(dāng)射流接觸金屬網(wǎng)后，沿著金屬網(wǎng)表面鋪展、并伴隨著反彈，定義為射流撞網(wǎng)相互作用區(qū)；最后當(dāng)射流穿過(guò)網(wǎng)后，連續(xù)射流逐漸失穩(wěn)，液膜和液絲破碎成小液滴，定義為射流快速失穩(wěn)破碎區(qū)。

圖3 射流撞網(wǎng)后，液滴粒徑分布曲線Fig．3 Distribuation of droplet size after jet flow im?pinging on the mesh

圖4 射流撞網(wǎng)過(guò)程與自由射流過(guò)程對(duì)比Fig．4 Comparison between jet flow impinging on the mesh and free jet process

3.3 網(wǎng)目數(shù)對(duì)于射流撞網(wǎng)破碎過(guò)程的影響規(guī)律

圖5 和圖6分別是噴霧錐角和平均液滴粒徑隨著金屬網(wǎng)目數(shù)的變化曲線。考慮到星載發(fā)動(dòng)機(jī)射流孔徑與金屬網(wǎng)目數(shù)之間的匹配關(guān)系，因此分別選取24目、60目和100目的金屬網(wǎng)作為試驗(yàn)對(duì)象。當(dāng)金屬網(wǎng)目數(shù)逐漸減少，從100目、60目降低到24目時(shí)，撞網(wǎng)后散角逐漸增加，從56°、61°增加到 72°，而平均粒徑則隨著金屬網(wǎng)目數(shù)的降低逐漸降低，從 169.8 μm、133.4 μm減少到0。這是由于當(dāng)金屬網(wǎng)目數(shù)逐漸降低，網(wǎng)孔直徑逐漸增大，射流撞網(wǎng)后，表面張力的作用逐漸減弱，導(dǎo)致連續(xù)射流可能經(jīng)過(guò)單根絲后，出現(xiàn)劈叉的現(xiàn)象，這樣就造成了射流撞網(wǎng)后散角大幅增加。同時(shí)也可以看出，當(dāng)金屬網(wǎng)為24目時(shí)，粒度儀基本測(cè)不出粒徑的變化，證明此時(shí)射流仍未失穩(wěn)破碎。

圖5 射流錐角隨金屬網(wǎng)目數(shù)的變化曲線Fig．5 Changes of jet cone angle with the variation of wire mesh

圖6 平均液滴粒徑隨金屬網(wǎng)目數(shù)的變化曲線Fig．6 Changes of averaged droplet size with the var?iation of wire mesh

4 結(jié)論

1）射流撞網(wǎng)過(guò)程與自由射流過(guò)程相比，在較短的距離，就可失穩(wěn)破碎，有效地提高了射流霧化效果；

2）根據(jù)射流撞網(wǎng)過(guò)程所得到的動(dòng)態(tài)圖片，可以將射流撞網(wǎng)過(guò)程分為三個(gè)區(qū)域，分別是：未接觸網(wǎng)自由流動(dòng)區(qū)域，觸網(wǎng)后沿網(wǎng)表面鋪展和反彈的相互作用區(qū)，穿網(wǎng)后下游射流快速失穩(wěn)破碎區(qū)；

3）隨著金屬網(wǎng)目數(shù)的逐漸減小，撞網(wǎng)散角度逐漸增加，而平均粒徑逐漸減少，當(dāng)金屬網(wǎng)目數(shù)為24目時(shí)，基本呈連續(xù)射流狀態(tài)，未失穩(wěn)破碎。

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