國內(nèi)外凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化實驗研究

國內(nèi)外凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化實驗研究

上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)中心,上海201112Summary：對國內(nèi)外凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的實驗研究進(jìn)行了綜述。綜述結(jié)果表明，隨著射流廣義雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)增大，凝膠射流撞擊產(chǎn)生了與牛頓流體射流不完全相同的多種霧化模式，且凝膠推進(jìn)劑離開噴嘴后破碎成微小液滴（液霧）更困難。以索特平均直徑、射流破碎長度和霧化錐角作為霧化效果的評估指標(biāo)，從射流狀態(tài)參數(shù)，噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，操作條件和凝膠物性四個方面對凝膠撞擊霧化效果進(jìn)行了分析，獲得的結(jié)果為改善霧化效果和優(yōu)化噴嘴設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。最后，基于研究現(xiàn)狀對凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的后續(xù)研究提出了建議。Keys：凝膠推進(jìn)劑、霧化效果、擾動線性分析、數(shù)值模擬0引言凝膠推進(jìn)劑是將凝膠劑（如二氧化硅(SiO2）、黃原膠（Xanthangum）、卡波姆(Carbopol）、Thixatrol-ST等）加入液體推進(jìn)劑中得到的凝膠態(tài)非牛頓流體。凝膠推進(jìn)劑存在明顯的屈服應(yīng)力，且粘度隨剪切變稀的特性使其靜止時像固體無法流動，在受剪切力時可像液體推進(jìn)劑流動輸送。因此，凝膠推進(jìn)劑既具有液體推進(jìn)劑可多次啟動，推力可調(diào)的優(yōu)點，又具有固體推進(jìn)劑穩(wěn)定性好、可長期儲存、高密度比沖的優(yōu)勢，使得凝膠推進(jìn)劑在導(dǎo)彈武器領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，已成為近年各國廣泛研究的新型推進(jìn)劑[1]。撞擊式霧化是凝膠推進(jìn)劑廣泛應(yīng)用的霧化方式，利用高速射流的動能使高粘度的冪律流體產(chǎn)生破碎，且撞擊過程的強(qiáng)剪切作用降低了冪律流體的粘性，促進(jìn)小液滴在氣動力作用下進(jìn)一步破碎、變形、剝離，有效提高了霧化液滴細(xì)度。已有實驗研究表明，撞擊式噴嘴相較于其他種類的噴嘴對非牛頓流體射流的霧化效果較好，應(yīng)對已有的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。針對凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化，本文綜述了各國學(xué)者的實驗研究，分析射流狀態(tài)、操作條件、噴嘴結(jié)構(gòu)和凝膠物性等因素對霧化效果的影響。1撞擊霧化實驗系統(tǒng)凝膠推進(jìn)劑通常使用雙股互擊噴嘴，即以兩股同種冪律射流成一定角度撞擊破裂并產(chǎn)生小液滴或液霧。如圖1所示，各國研究者采用凝膠模擬液對兩股或兩股以上撞擊噴嘴進(jìn)行了不同條件的撞擊實驗，以高速攝影、相位多普勒粒子分析儀(PDPA)和馬爾文粒子儀（Malvin）等技術(shù)捕捉霧化特征及定量參數(shù)，分析射流狀態(tài)、操作條件、噴嘴結(jié)構(gòu)和凝膠物性對霧化的影響，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、提高霧化效果的目標(biāo)。對霧化效果的定量參數(shù)，多以索特平均直徑、射流破碎長度、霧化錐角等作為評估指標(biāo)。索特平均直徑SMD是液滴群總體積與表面積的比值，用來表征霧化液滴顆粒的細(xì)度整體水平，可以反映液滴群真實的蒸發(fā)條件，具有重要意義。射流破碎長度lk直接影響液滴進(jìn)一步地變形與破碎的過程。破碎長度lk的降低和霧化錐角的展寬對霧化效果的提高有直接作用。(1)圖1（a）撞擊式噴嘴（b）高速攝影和供應(yīng)系統(tǒng)2撞擊霧化實驗影響因素2.1射流狀態(tài)射流狀態(tài)反映冪律射流非互擊狀態(tài)自由噴射特性，包括射流離開噴嘴的速度、是否在射流管路內(nèi)混入空氣、廣義雷諾數(shù)Regen、韋伯?dāng)?shù)We等。Metzner[2]等人提出廣義雷諾數(shù)用來劃分非牛頓流體管道流動狀態(tài)，其表達(dá)式如下，被廣泛應(yīng)用與非牛頓流體射流狀態(tài)的定量。（2）Kampen[3]等人采用含35%Al粒子的煤油凝膠進(jìn)行雙股撞擊式霧化實驗，發(fā)現(xiàn)隨射流出口速度增大依次產(chǎn)生了射線型、液絲分離型、完全發(fā)展型三種霧化模式如圖2所示。對于不同種類的凝膠，霧化模式轉(zhuǎn)變的臨界廣義雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)是不同的，因此霧化模式的分界也沒有明確的定量。圖2射線型、液絲分離型、充分發(fā)展型Baek[4]等人對含SUS304納米顆粒的Carbopol凝膠進(jìn)行了撞擊霧化實驗，可視化霧化模式與Kampen等人觀察到的類似。隨射流速度增加，SMD減小并逐漸收斂到恒定值，水霧化SMD收斂到，而Carbopol凝膠霧化SMD收斂到，其值低于水，凝膠的彈性降低了霧化液滴的大小。張蒙正[5]等人采用激光全息技術(shù)，發(fā)現(xiàn)增大射流速度使得撞擊點傳播的環(huán)形不穩(wěn)定波逐漸模糊，凝膠霧化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更細(xì)密，霧化效果增強(qiáng)。另外，在凝膠管路中混入空氣破壞了凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以明顯促進(jìn)霧化，且混入氣量越大，效果越好。2.2操作條件操作條件包括噴射壓力、偏心撞擊、撞擊夾角、射流自由段長度、射流溫度。Jayaprakash[6]、Ma[7]、Wang[8]等人對不同凝膠種類進(jìn)行撞擊實驗，發(fā)現(xiàn)撞擊夾角增大能在降低SMD、增大霧化錐角方面改善霧化效果Ma[7]等發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力增加，空間霧場任意方向的SMD都降低，且無量綱平均液滴尺寸SMD/d收斂到0.14（d為孔口直徑）。Wang[8]等人發(fā)現(xiàn)噴射壓力增加有助于降低射流破裂長度和擴(kuò)展霧化錐角，噴射壓力增大到0.6MPa后效應(yīng)降低。Jayaprakash[6]等人采用含鋁粒子凝膠的撞擊實驗，發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力增大霧化錐角降低如圖3(1)所示，因此含金屬納米粒子凝膠與無粒子凝膠存在不同規(guī)律。圖3(1)含30%Al（15μm）煤油凝膠實驗結(jié)果(2)ADN水基模擬液實驗結(jié)果鄧寒玉[9]等人首次對偏心撞擊進(jìn)行了探究，觀察到偏心撞擊使液膜產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，液膜形態(tài)呈強(qiáng)擾動液膜附著液絲模式。通過對霧場液滴尺寸的統(tǒng)計，偏心撞擊對液滴尺寸分布影響較小，但顯著降低了SMD，改善了霧化效果。Fu[10]等研究了溫度對雙股撞擊式霧化的影響，發(fā)現(xiàn)射流溫度的增高會降低凝膠稠度系數(shù)，并升高流動指數(shù)，降低了凝膠推進(jìn)劑的粘性，使液滴易于破碎。鄧寒玉[9]等對納米SiO2凝膠劑的航空煤油凝膠進(jìn)行了霧化實驗，射流長度增大使得撞擊前射流擾動波振幅增大，破碎長度降低。另外，射流自由段長度對撞擊霧化粒徑的影響不是單調(diào)過程，射流長度為25/3時SMD達(dá)到極小值138。Ma[7]等人對比得到射流自由段長度為7mm時SMD較10mm時略小，與鄧寒玉試驗中最優(yōu)射流長度接近。2.3噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)包括噴嘴結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，噴嘴結(jié)構(gòu)方面包括三股/四股互擊式噴嘴、收斂式噴嘴、異型孔口、諧振腔體，幾何參數(shù)方面包括孔口直徑、出口長徑比。張蒙正[5]等和夏益志[11]人對于三股式撞擊與雙股撞擊霧化效果和燃燒實驗進(jìn)行對比，張蒙正[5]等人實驗發(fā)現(xiàn)雙股優(yōu)于三股/四股撞擊式噴嘴霧化效果，噴霧撞擊后的霧化錐角小，破碎長度較大。認(rèn)為三股/四股撞擊式噴嘴射流撞擊后很難在一個方向自由展開形成液膜，撞擊能量被損耗。夏益志[11]人設(shè)計了如圖4所示的噴注結(jié)構(gòu)對真實甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO）凝膠推進(jìn)劑進(jìn)行霧化燃燒實驗，三股撞擊式噴嘴效果優(yōu)于雙股互擊式，兩股NTO撞擊單股MMH（O-F-O）霧化效果優(yōu)于（F-O-F）模式。圖4三股撞擊噴嘴結(jié)構(gòu)圖Rahimi和Natan[12]收斂型噴注器（如圖5）噴嘴截面平均表觀粘度的影響進(jìn)行建模計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，收斂角從2°增大到8°時平均表觀粘度大幅度降低，所需噴射壓力也減小。因此為得到好的霧化效果，需要較大收斂角。Fu[10]等實驗發(fā)現(xiàn)收斂式孔口噴嘴由于其剪切作用進(jìn)一步降低了凝膠粘性，使得出口流量增大且液絲更不穩(wěn)定。圖5收斂型/突縮型噴嘴Fu[13]等通過實驗探究了撞擊噴嘴孔口的不同幾何形狀對霧化效果的影響，孔口形狀包括橢圓形、圓形、方形孔、矩形孔。方形孔相較于圓形孔可降低破碎長度。矩形孔縱橫比增大時會增大流量，由于非圓射流的轉(zhuǎn)軸特性，長徑比過大時引起液膜中心產(chǎn)生濃液流。盡管橢圓形孔相較圓形孔可提高射流不穩(wěn)定性，但對破碎長度的影響不穩(wěn)定。Yang[14]等人設(shè)計了一種新型的噴注器結(jié)構(gòu)，如圖6所示，腔體與亥姆霍茲諧振器類似，流體流過亥姆霍茲腔體會發(fā)生振蕩擾動，使得噴注器形成的凝膠液膜不穩(wěn)定性增強(qiáng)，液膜破裂長度有效減小。圖6諧振型噴嘴Wang[8]等研究發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑的增大盡管增加了霧化錐角，另一方面也增加了破裂長度，對霧化效果的影響不明確。Ma[7]等人對噴嘴直徑對液滴散度的影響進(jìn)行了計算，散度是描述霧化液滴尺寸范圍的參數(shù)，其表達(dá)式如下，得到噴嘴直徑0.6mm比0.8mm時液滴散度小，即噴嘴直徑小時霧場液滴尺寸更均勻。(3)Fakhri[15]等人通過實驗研究了噴嘴入口幾何形狀（收斂型/突縮型）和出口長徑比（l/d）后射流破裂過程的影響。大長徑比（l/d=20）會大幅增加相同雷諾數(shù)下射流的破裂長度，認(rèn)為大長徑比導(dǎo)致射流更穩(wěn)定，延遲液膜破碎成更細(xì)小的液滴。2.4凝膠物性凝膠物性主要對比了加入金屬納米粒子對霧化模式、效果等方面的影響。Jejurkar[16]等將納米粒子加入凝膠推進(jìn)劑ISROsene后，出現(xiàn)了兩個新的霧化模式：帶孔開放邊緣模式（見圖6(1)a）和沖擊波帶縱向液絲模式（見圖6（2））。帶孔開放邊緣模式(見圖6(1)a,b)的特點是推進(jìn)劑質(zhì)量集中在中心區(qū)，產(chǎn)生多個棒狀結(jié)構(gòu).隨著納米粒子濃度增大，射流撞擊產(chǎn)生了縱向的液絲，開放邊緣模式逐漸向沖擊波帶縱液絲模式（圖6（2）b）過渡。圖7(1)帶孔開放邊緣模式(2)沖擊波帶縱向液絲模式Baek[4]等人對含15wt.%SUS304納米顆粒的Carbopol凝膠進(jìn)行了撞擊霧化實驗，由于加入納米顆粒，重顆粒的沖擊能量增加，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度降低，含SUS顆粒的Carbopol凝膠的破裂長度明顯短于純Carbopol凝膠的破裂長度。Kampen[17]等人采用JetA1航空煤油制備凝膠并加入Al粒子，對Al粒子35%和40%的凝膠進(jìn)行了霧化實驗，Al粒子含量的增加減小液膜寬度，增加破碎長度，對霧化不利。3總結(jié)與展望對凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的實驗研究進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)噴射壓力、射流速度、廣義雷諾數(shù)、收斂型噴嘴等因素可以增加剪切速率，降低凝膠粘度減小液滴SMD，使霧化效果增強(qiáng)；凝膠中加入金屬納米粒子濃度會顯著增加破裂長度，增大霧化難度；噴嘴的優(yōu)化設(shè)計可改善霧化效果，例如矩形孔口、諧振型腔體、減小出口長徑比；三股撞擊適用于燃料與氧化劑凝膠粘度差別較大的情況；凝膠劑含量顯著影響霧化效果。由于影響霧化的因素十分復(fù)雜，且霧化效果的影響因素并非全部互相獨立的，例如平均表觀粘度受射流速度、孔口直徑和凝膠材料物性等影響，而射流速度取決于噴射壓力，孔口直徑等，各因素對霧化效果的影響難以分離，為霧化機(jī)理的認(rèn)識帶來阻礙。Reference：[1]施浙杭，鄔二龍，姚鋒，劉昌國．凝膠推進(jìn)劑霧化特性研究進(jìn)展[J]．推進(jìn)技術(shù)./10.13675/ki.tjjs.20034[2]MetznerAB,ReedJC.Flowofnon‐newtonianfluids—correlationofthelaminar,transition,andturbulent‐flowregions[J].AicheJournal,1955,1(4).[3]KampenJV,MadlenerK,CiezkiH.CharacteristicFlowandSprayPropertiesofGelledFuelswithRegardtotheImpingingInjectorType[C]//42ndAIAAJointPropulsionConference.DLR,2006.[4]BaekG,KimS,HanJ,etal.Atomizationcharacteristicsofimpingingjetsofgelmaterialcontainingnanoparticles[J].JournalofNon-NewtonianFluidMechanics,2011,166(21-22):1272-1285.[5]張蒙正,楊偉東,王玫.雙股互擊式噴嘴凝膠水霧化特性試驗[J].推進(jìn)技術(shù),2008(01):22-24.[6]JayaprakashN,ChakravarthyS.ImpingementAtomizationofGelFuels[C]//AerospaceSciencesMeeting&Exhibit.2013.[7]MaYC,BaiFQ,ChangQ,etal.Anexperimentalstudyontheatomizationcharacteristicsofimpingingjetsofpowerlawfluid[J].JournalofNon-NewtonianFluidMechanics,2015,217:49-57.[8]WangF,ChenJ,ZhangT,etal.ExperimentalStudyonSprayCharacteristicsofADN/WaterBasedGelPropellantwithImpingingJetInjectors[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2020,45.[9]鄧寒玉.航空煤油凝膠的撞擊霧化及液滴破碎機(jī)理研究[D].南京理工大學(xué),2019.[10FuQF,DuanRZ,CuiKD,etal.Sprayofgelledpropellantsfromanimpinging-jetinjectorunderdifferenttemperatures[J].AerospaceScience&Technology,2014,39:552-558.[11]夏益志,楊偉東,洪流,等.凝膠一甲基肼/四氧化二氮霧化特性試驗研究[J].推進(jìn)技術(shù),2019,v.40;No.270(12):121-127.[12]RahimiS,NatanB.FlowofGelFuelsinTaperedInjectors[J].JournalofPropulsion&Power,2011,16(3):458-464.[13]FuQF,YangLJ,ZhuangFC.Effectsoforificegeometryonspraycharacteristicsofimpingingjetinjectorsforgelledpropellants[C]//49thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference.2013.[14]YangLJ,FuQF,WeiZ,etal.SprayCharacteristicsofGelledPropellants