推进剂通过喷注器的雾化状态直接影响液体火箭发动机的燃烧效率。利用直流撞击式喷注器组织燃烧的发动机喉部材料耐温极限制约了其燃烧效率的提升,为解决这一问题,从射流撞击雾化实验出发,探索一种新型高性能直流冷壁式喷注器。掌握单股射流撞壁雾化规律和机理对该新型直流冷壁式喷注器设计具有重要的指导意义,单股射流撞击壁面雾化的研究主要围绕液膜直接破碎雾化和溅射雾化两种方法展开。

Dombrowski等^[1]用静止反对称波理论推导出液膜破碎长度计算公式,与文献[2-3]实验结果不一致,Ahmad等^[4]根据实验规律,将液膜破碎长度分为增加段和减小段,分别给出了经验公式。Inamura等^[5]根据壁面边界层理论,对斜射流撞击壁面过程进行相关简化,推导出液膜厚度和速度的表达式。液膜厚度和速度对于撞击雾化液滴的预测起着非常重要的作用,学者们从理论、实验、仿真3个方面对其进行了研究^[6]。液滴平均直径可作为反映雾化质量的参数之一,Mahmoud等^[7]研究分析的结果表明液滴尺寸取决于液膜破碎类型。Ahmed等^[8-9]指出,液膜破碎计算公式中系数由液膜破碎机制决定,随着Re增加,液膜破碎机制可依次分为:空气动力学不稳定、层流边缘脱落、湍流边缘脱落、穿孔破碎,分别对应4种不同类型的液膜形态——轮辋型、开放轮辋型、周期性液滴型和完全雾化型。

喷注器孔径、射流速度和撞击角度等设计参数是喷注器设计的关键参数,对雾化质量的影响至关重要,石少平^[10]对撞击雾化液滴的索太尔平均直径进行理论计算,得到了各因素对雾化液滴粒径的影响规律。姚党伟等^[11]、李佳楠等^[12]、郑刚等^[13]通过数值计算,分别给出了喷注器孔径、射流速度和撞击角度对液滴直径的影响规律。此外,刘焜等^[14]通过分析PDA测量的不同模拟燃烧室内撞击雾化液滴直径,发现发动机燃烧室压力增大会导致液滴平均质量直径减小。李佳楠^[15]等配制不同黏度的蔗糖溶液,研究黏度系数与雾化质量的关系。杨顺傑^[16]研究了重力效应对液膜的影响。

目前对射流撞击壁面的研究主要是关于液膜雾化,对射流撞壁溅射雾化的研究较少。射流速度、喷注器孔径、撞击角度等多因素对撞击雾化的影响规律的研究已取得较多成果,而关于撞击距离与雾化性能的关系所做的研究较少。

本文针对圆柱射流撞壁溅射雾化现象,通过实验研究和仿真分析,探究自由射流撞击壁面的溅射雾化规律和机理,为提高液体火箭发动机雾化性能和燃烧效率提供参考。

圆射流撞击壁面后,产生溅射液滴,溅射雾化率随撞击距离增大在不同阶段呈现不同的规律。对圆射流撞击壁面这一雾化方式而言,撞击距离在改变的过程中,发生变化的主体是圆射流。本文从自由圆射流的基本理论出发,分析溅射雾化率随撞击距离变化的4个阶段曲线的机理。

Reynolds使用时均量和脉动量之和代表瞬时分量,从不可压缩N-S方程出发导出了表征湍流时均运动的Reynolds方程

式中:i,j=1,2,3; u_i为时均速度; u'_i为脉动速度; p为时均压强; F_i为大单位体积力的时均值;

为黏性应力项,用τ₁表示; ρu'_iu'_j^-为湍动切应力项,用τ_t表示。

对于不可压缩自由圆射流,可视作轴对称射流,不考虑质量力,则沿轴向(x)流动的自由圆射流的运动方程为

式中:v为径向时均速度; r为径向坐标。

式(4)两边乘以u,在整个射流截面积分,得

式(9)表明:不可压缩轴对称自由射流的时均动能沿程衰减速率等于湍流动能的产生速率与粘性剪切耗散能量速率之和。即随着射流轴向距离的增加,射流时均动能逐渐减小,减小的时均动能用来生成湍流动能以及克服黏性剪切导致的能量耗散。

在射流喷射出喷嘴一段距离内,时均动能转变成湍流动能的速率明显大于湍流动能自身耗散速率,湍流动能随射流距离增大而增大,该段区域被称为湍动生成区; 当射流继续向前喷射时,存在一个区域,时均动能转变成湍流动能的速率明显近似等于湍流动能自身耗散速率,湍流动能随射流距离增大几乎不变,该段称之为射流湍动平衡区; 在射流发展的末端,时均动能转变成湍流动能的速率明显小于湍流动能自身耗散速率,湍流动能随射流距离增大而减小,该区域称之为湍动衰变区。此外,湍流射流从喷注器喷射进入自由空间时,已具备初始湍流动能。

综上,根据本文提出的4个阶段曲线和射流湍动能(E_μ)随喷射距离(l_j)的变化关系可绘制出图 15所示的曲线图。

本文认为圆射流撞壁发生溅射与否以及溅射的剧烈程度,取决于湍流动能的大小。结合图 15,在湍动生成区,当湍流动能小于某个阈值时,溅射基本不发生,对应初始段,该段湍流动能随射流距离(撞击距离)增大而增大,但始终小于发生溅射时的湍流动能阈值; 在湍动生成区内,湍流动能大于溅射发生时的湍流动能阈值,随着撞击距离的增大,溅射雾化率随之而增大,此段为发展段; 在湍动平衡区,湍流动能基本不变,溅射雾化率也基本不变,对应稳定段; 在湍动衰减区,湍流动能随撞击距离增大而减小,溅射雾化率随之而减小,即为衰减段。

图 15 湍动能随撞击距离变化的曲线图
Fig.15 Turbulent kinetic energy with jet distance

本文采用高速摄影、收集法、PIV和PDA测量了圆射流撞壁溅射的形态和相关指标(溅射雾化率、速度、索太尔平均直径),对其开展实验研究,并结合试验研究结果,从自由射流机理出发,分析实验结论的内在机理,得出如下结论:

1)圆射流撞壁存在溅射雾化,溅射液滴局部呈现螺旋运动,绝大部分溅射液滴索太尔直径为几十微米量级。

2)提出溅射雾化率随撞击距离变化的4个阶段,即初始段、发展段、稳定段和衰减段; 并通过定量实验测量的溅射雾化率,验证了阶段曲线的正确性。

3)湍流动能对射流撞击的溅射雾化率起决定性作用。