在高压补燃液氧煤油火箭发动机氧涡轮泵系统中,驱动预压涡轮后的少量富氧燃气在预压泵出口处经集合器通过管壁小孔注入泵间管,与液氧主流发生掺混,并冷凝为液相,这是一个典型的低温气液两相流动与传热相变过程^[1-2]。而在火箭发动机输送系统中,涡轮泵的旋转及汽蚀不可避免地会对推进剂流动产生小扰动,并以压力波的形式在管路中传播,从而对垂直放置的泵间管内低温气液两相掺混冷凝过程产生影响^[3-4]。因此,研究垂直管内低温气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程具有重要的现实意义。

国内外学者对气液两相掺混相变过程已经开展了大量研究工作。Chun、A.Petrovic de With和Qiang Xu等人分别对水蒸汽接触冷凝过程的流型及气羽形状特征等进行了归纳^[5-7]; Kerney、Kim等人对蒸汽射流中气羽穿透长度进行了实验研究,并各自总结了经验公式^[8-9]。针对垂直管内存在相变的低温气液两相工质流动,Yanzhong Li等人基于数值仿真研究了压力波的传播特性^[10-11]; Xiangdong Li采用MUSIG模型分析了氮气气泡在液氮中上升的动态过程,并与实验结果进行了对比^[12]; 薛传发、方雪健等研究了低温工质两相掺混动态特征,辨识梳理了典型的流型,得到了最大轴向冷凝长度随流量、压力等参数的变化规律^[13-17]。关于压力波对气液两相掺混相变过程影响的研究报道相对较少。Waldemar通过实验研究了压力扰动对直径小于5 mm的微通道内制冷剂R134a相变过程的影响,结果表明:在一定频率范围内,压力波会使气液两相区长度变长^[18]。

考虑到流场结构和低温工质的特殊性,本文针对高压补燃液氧煤油发动机氧泵间管内气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程,建立了适用于低温工质且可产生压力扰动的垂直管气液两相掺混实验系统,采用氧气/液氧为实验工质,获得了不同压力波频率和氧气流量工况下的两相掺混图像,分析了压力波对垂直管内氧气/液氧掺混相变流型及其动态特性的影响。

本文以高压补燃液氧煤油火箭发动机氧预压泵出口处气液两相掺混冷凝及其压力波传播过程为背景,采用氧气/液氧作为实验工质,开展了压力波对垂直管内低温气液两相掺混冷凝的影响研究,得到以下结论:

1)压力波对掺混流型有明显影响。在实验工况范围内,氧气流量为1.63 g/s时,主要为发散流型,在掺混段下游施加压力波扰动后,掺混动态过程由微弱振荡冷凝向间歇振荡冷凝转变; 氧气流量为3.27 g/s时,主要为椭圆流型,施加压力波扰动后,掺混动态过程由稳定冷凝向振荡冷凝转变。

2)在不同频率压力波作用下,发散流型的最大轴向冷凝长度变化范围较大,而椭圆流型的最大轴向冷凝长度分布相对集中。本实验中,发散流型最大轴向冷凝长度与掺混孔径之比在10～30之间,椭圆流型的在8～15之间。该比值对于同类型发动机的泵间管结构设计具有一定的参考价值。

3)气相核心区的摆动是压力波和掺混相变两种因素共同作用的结果,且压力波的作用占主导。压力波对气相摆动频率有正相关性影响。在压力波作用下,椭圆流型较发散流型的气相摆动频率更高。