结构参数对可调节针栓喷注器喷雾特性的影响

张紫豪，吴继平，成 鹏，江燕平

(1.国防科技大学 空天科学学院，湖南 长沙 410073；2.国防科技大学 高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南 长沙 410073)

0 引言

20世纪50年代，针栓喷注器起源于美国JPL液体自燃推进剂的混合以及燃烧反应时间相关试验研究。针栓喷注器初期由TRW公司研究，并于20世纪60年代成功应用于LMDE发动机，实现了采用机械驱动方式的深度推力调节。之后，针栓喷注器还被应用于SENTRY发动机、KEW发动机、TR202发动机、Merlin发动机和嫦娥三号登月舱下降发动机等多型发动机中。针栓喷注器的结构简单，生产成本低，燃烧效率和稳定性较高，具备面关机能力和较强的大范围工况调节能力，在工程型号任务中得到了一定应用，在运载火箭回收、登月探火软着陆等领域需求广泛。

近年来，针对针栓喷注器喷雾形态和流场燃烧等基础问题的研究逐渐增多。目前多数研究针对气液针栓喷注器开展。方昕昕等模拟液氧/气甲烷针栓喷注器雾化实验，发现喷雾锥角随无量纲跳过距离、径向环缝夹角、轴向环缝厚度增大而增大。Son等对径向缝型气液针栓喷注器开展研究，揭示了喷雾锥角和SMD与动量比等无量纲参数之间的关系。Zhou等发现径向缝型气液针栓喷注器喷雾形态主要受气体韦伯数影响。龙治光等对气液针栓喷注器进行数值仿真，发现撞击角度越小，喷雾锥角越小。Lee等通过试验分析了气液针栓喷注器喷雾锥角、SMD与跳过距离和节流水平之间的关系。Zhang等研究发现SMD随韦伯数的增加而减小，韦伯数越大，粒径分布越均匀。金烜等通过数值模拟方法，分析了气液针栓发动机喷雾燃烧对声学激励的响应。气液针栓喷注器的研究中，径向环缝的针栓喷注器是主要研究方向，而对径向喷孔的针栓喷注器研究较少。

对于径向喷孔的针栓喷注器，液液形式研究相对较多。Cheng等通过数值仿真和试验研究的方法提出动量比是控制喷雾锥角的关键无量纲参数。Ninish等发现动量比越大，喷雾锥角越大。Sakaki等采取试验方法对二维针栓喷注器进行研究，并仿真得出低动量比情况下燃烧效率低且不稳定。陈慧源等认为圆孔液液喷注器喷雾锥角略高于矩形孔喷注器，喷雾SMD几乎不受孔形的影响，但矩形孔宽高比增加可以使SMD分布更加均匀；还分析了局部动量比是决定液液针栓喷注器喷雾锥角以及液滴速度、尺寸的关键因素。Song等对凝胶煤油和水进行了雾化试验，发现针栓头部的导角可以显著提升破碎和雾化性能。

上述研究大都针对固定流量或采用文氏管来实现流量调节的针栓喷注器，对于依靠固有的结构优势来实现变喷注面积的针栓喷注器研究现状公开报道较少。实现变面积的调节套筒对针栓喷注器的流动过程有重要影响，但是相关参数的影响均还未建立基本认识。

本文拟针对变推力发动机可变面积针栓喷注器喷雾特性开展研究，考察阻塞比、套筒扩张角等参数对喷雾空间分布、滴液尺寸的影响规律，研究结果将加深对针栓喷注器的认识，可为变推力针栓发动机设计提供借鉴和参考。

1 方法

1.1 试验系统及对象

1.1.1 喷雾试验系统

喷雾试验系统由储罐、管路系统、测控制系统、测量设备及试验件组成，如图1所示。试验以水为模拟介质，使用氮气增压，由测控系统完成时序控制和参数测量。

图1 喷雾试验系统Fig.1 Spray test system

1.1.2 测量系统

高速摄像(又称背景光成像)是测量喷雾形态最有效的手段，高速摄像系统包括高速相机、背景光源和计算机，如图2所示。试验使用Fastcam SA-Z高速相机，变焦镜头焦距为80 mm×200 mm，高速相机帧频和曝光时间分别为10 000 fps和1/50 000 s。

图2 高速摄影系统Fig.2 High-speed photography system

Malvern粒度分析仪操作便捷，重复性好，被广泛用于喷雾液滴粒度分布及平均直径的测量。Malvern系统由粒度分析仪、台架和计算机组成。激光器光束直径10 mm，激光波长670 nm，接收透镜焦距为450 mm，可测量8～1 040 μm的粒子，见图3。

图3 Malvern测量系统Fig.3 Malvern measurement system

1.1.3 试验对象

针栓喷注器主要由针栓头、外部套筒、底座以及其他部件组成，试验件基本构型如图4所示。

图4 针栓喷注器主要尺寸示意图Fig.4 Main dimensions of pintle injector

套筒扩张角定义为套筒端面与轴线的夹角，用表示。针栓喷注器主要尺寸示意如图4所示，主要尺寸参数见表1。

表1 针栓喷注器主要尺寸参数

针栓喷注器能够实现推力调节，主要因其自身结构具备优势，通过改变外部套筒与针栓头和底座之间的相对位置，可以改变环缝宽度和径向孔高度，进而实现流量和推力调节。

试验过程中，通过改变外部套筒和针栓头的相对位置，以实现阻塞比不同的针栓喷注器径向喷孔面积相同。阻塞比定义为喷孔在圆周方向的总长度与针栓头周长之比，用来表示，即

(1)

式中：为径向孔宽度；为针栓头直径。

1.2 试验工况与数据处理方法

1.2.1 试验工况

动量比反映了喷注器雾化混合状态，是指径向动量与轴向动量之比，用来表示，即

(2)

定义氧化剂与燃料之比为混合比，用表示，即

(3)

表2 工况参数

通过调节针栓喷注器结构参数来分析相同工况参数下针栓喷注器不同喷雾特性。

1.2.2 喷雾锥角计算

轴向环形液膜和径向射流在针栓头部撞击混合，形成锥形喷雾结构。两条母线夹角为喷雾锥角，如图5所示。

图5 喷雾锥角示意图Fig.5 Schematic diagram of spray angle

喷雾锥角是衡量喷雾空间分布的重要指标，适当的喷雾锥角能够提升喷雾雾化质量和燃烧效率。本文采用Matlab程序开展数据处理来得到喷雾锥角数值。首先剪掉瞬时喷雾图像原图背景，其次进行二值化处理生成二值图，根据OSTU方法计算阈值，得到单张瞬时喷雾图像的锥角，对稳定状态下1 000张喷雾图像进行平均化处理，得到喷雾锥角数值。

1.2.3 喷雾粒径计算

喷雾平均直径为衡量雾化性能的重要指标，Mugele等提出了其概念。常采用体积/面积比直径(用表示)来评价推进动力装置中喷雾雾化程度的优劣。越小，相同体积的液滴雾化后表面积越大，越有利于充分燃烧。也称SMD，计算公式为

(4)

式中：为最大液滴直径;为最小液滴直径；为直径为的液滴数量。

2 结果与讨论

2.1 流量系数

结构参数对喷注器的流量特性及燃烧效率有着直接影响，喷嘴流量系数能直接反映流通能力，并决定了推进剂的喷注速度，试验前通常对不同结构的喷嘴流量系数进行测量。不可压液体流量计算公式为

(5)

保持针栓喷注器套筒位置、径向喷孔喷注面积不变，对阻塞比为0.6、0.7、0.8以及套筒扩张角为60°、90°、120°的结构分别进行雾化试验。图6和图7分别表示了阻塞比和套筒扩张角不同时，径向喷孔流量系数随喷注压降的变化情况，可以看出，径向喷孔流量系数受阻塞比和套筒扩张角影响较为显著，随阻塞比或套筒扩张角的增加而减小；当阻塞比或套筒扩张角相同时，中等压差情况下基本维持不变。

图6 K不同时径向孔流量系数随喷注压降变化曲线Fig.6 Variation curve of Cdr with Δp on different K

图7 α不同时径向孔流量系数随喷注压降变化曲线Fig.7 Variation curve of Cdr with Δp on different α

2.2 结构参数对喷雾锥角的影响

2.2.1 阻塞比对喷雾锥角的影响

图8所示为工况1～3时针栓喷注器喷雾瞬时图像，此时动量比为2.1，阻塞比分别为0.6、0.7和0.8。

图8 Ψ=2.1时不同阻塞比下喷雾瞬时图像Fig.8 Spray instantaneous images on different K of when Ψ=2.1

阻塞比增加，喷雾锥角减小幅度较大，阻塞比值由0.6变化至0.8，喷雾锥角减小约41.52°，变化幅度显著；且喷雾液束向喷雾场中部聚合，空间分布趋于均匀。试验保证动量比近似相同，但喷雾锥角和空间分布差异较大，是由于局部动量比不同。对于径向为喷孔的针栓喷注器，径向射流不会撞击全部的轴向环形液膜，以局部动量比来表示射流与部分液膜撞击的动量比，定义为动量比与阻塞比之比，用来表示，即

(6)

径向喷孔式针栓喷注器，部分液膜从两孔之间流出，文献[27]说明除撞击作用外，液膜和射流两侧还有着剪切作用。通过调节外部套筒与针栓头相对位置，保持径向孔喷注面积不变，此时阻塞比越大，局部动量比越小，单位长度径向射流与环形缝隙喷注的液膜撞击作用减弱，剪切作用增强，喷雾锥角越小，具体试验数据见表 3。

表3 试验数据(工况1～3)

图9所示为工况4～6时针栓喷注器喷雾瞬时图像，此时动量比为0.15，阻塞比值分别为0.6、0.7和0.8，具体试验数据见表4。

图9 Ψ为0.15时不同阻塞比下喷雾瞬时图像Fig.9 Spray instantaneous images on different K when Ψ is 0.15

表4 试验数据(工况4～6)

阻塞比由0.6增加至0.8，喷雾锥角减小约18.2°；且液束向喷雾场中部聚合，分布范围变窄。此时径向射流动量较小，当阻塞比增大时，喷雾锥角变化幅度较小。

对比工况1～6试验，对于氧化剂或燃料中心式针栓喷注器，在一定范围内，当针栓头阻塞比增大时，喷雾锥角均会减小，且氧化剂中心式针栓喷注器喷雾锥角减小幅度远大于燃料中心式针栓喷注器。试验模拟推进剂混合比为2.5，可以看出，一定范围内，对于氧化剂中心式针栓喷注器的设计，因径向动量较大，可以增大阻塞比以保持合适的喷雾锥角，以增强推进剂掺混效果；对于燃料中心式针栓喷注器，可以减小阻塞比来优化喷雾场的空间分布。

2.2.2 套筒扩张角对喷雾锥角的影响

图10所示为工况7～9时针栓喷注器喷雾瞬时图像，此时动量比为0.37，套筒扩张角分别为60°、90°和120°，具体试验数据见表5。

图10 不同套筒扩张角下喷雾瞬时图像Fig.10 Spray instantaneous images on different α

表5 试验数据(工况7～9)

喷雾锥角随套筒扩张角增加而减小，套筒扩张角由60°变化至120°，喷雾锥角减小约15°；且液束向喷雾场中部聚合，边缘振荡幅度减弱。套筒扩张角对径向射流存在引导作用，套筒扩张角越大，引导作用越明显。<90°时，会形成一个小的负压区，对径向射流有一定引射作用，射流喷出后向斜上方扩张；>90°时，经套筒导流作用，射流向斜下方运动。轴向液膜动量一定时，喷雾锥角会产生差异。

对比工况7～9试验，对于燃料中心式针栓喷注器的设计，因径向动量较小，可以减小套筒扩张角以优化其喷雾场结构。

2.3 结构参数对SMD的影响

2.3.1 阻塞比对SMD的影响

对燃料中心式针栓喷注器进行试验，工况为4～6，此时动量比为0.15，阻塞比分别为0.6、0.7和0.8。

试验选取不同的方向对喷雾SMD进行测量(见图11)，将测量位置位于两喷孔中间称为1#，单个喷孔中间称为2#；轴向为，径向为。初始测量位置为0，为30 mm，为针栓头底部截面位置，测量间距为10 mm。

图11 Malvern试验测点分布示意Fig.11 Distribution diagram of measuring points in Malvern tests

测量过程中，2#测量位置喷雾溅射较大，为保护镜头，选取部分测点进行测量。图12给出了不同阻塞比时SMD随轴向距离的变化趋势。整体来看，喷雾SMD随喷雾场轴向距离增加而减小，说明随着液体撞击，液体的破碎过程沿着轴向进行，液滴尺寸逐渐减小。从图中可以看到虚线所示的SMD均小于实线所示结果。说明射流孔下方的测量区域，由于射流对于液膜撞击效果更强，液体破碎效果更好。而对于孔之间的区域撞击效果更差，导致破碎效果更差，SMD更大。

图12 不同阻塞比时SMD随轴向距离的变化趋势Fig.12 Variation curve of SMD with axial distance on different K

同时可以看到，阻塞比值由0.6变化至0.8，喷雾SMD增大，SMD变化幅度显著。由前文分析可知，在试验工况相同的条件下，阻塞比的变化使得针栓头区域的局部动量比不同。由图9和图13可以看出，阻塞比增大，喷雾破碎程度减小，此时局部动量比较小，与轴向液膜的撞击程度减弱，喷雾SMD增加。1#测量位置处于两喷注孔之间，径向射流与环形液膜的撞击作用弱于2#测量位置，喷雾SMD较大。随着液束的振荡发展，喷雾场下游破碎程度比上游剧烈，喷雾场下游SMD小于上游。

图13 1#测量位置不同阻塞比时SMD随Φ的变化趋势Fig.13 Variation curve of SMD with Φ on different K at 1# position

对于燃料中心式针栓喷注器的设计，可以减小阻塞比来提高喷雾的雾化特性，使其SMD减小，有利于燃烧过程。

2.3.2 套筒扩张角对SMD的影响

选择燃料中心式针栓喷注器进行试验，工况为7～9，此时动量比为0.37，套筒扩张角分别为60°、90°和120°，测量位置为1#。测量过程中，套筒扩张角为60°和90°时喷雾溅射较大，只选取30 mm和40 mm两个位置进行测量。

由图14可以看出，套筒扩张角由60°变化至120°，SMD增大，且小于90°时，SMD变化幅度较大。由前文分析可知，套筒扩张角对径向射流存在引导作用，套筒扩张角<90°时，射流喷出后向斜上方扩张，射流与轴向液膜作用长度增加。

图14 不同套筒扩张角时SMD随轴向距离变化趋势Fig.14 Variation curve of SMD with axial distance on different α

由图10可以看出喷雾破碎程度较大，使得SMD较小；套筒扩张角>90°时，套筒内壁对射流的导流作用加强，且射流撞击套筒内壁面后，向斜下方以及两侧运动，使得射流撞击环形液膜程度减小，使得SMD较大。

3 结论

本文针对针栓喷注器的结构参数开展了试验研究，通过改变阻塞比和套筒扩张角，得到了流量系数、喷雾锥角、喷雾SMD的变化规律，得出以下结论。

1)阻塞比和套筒扩张角对流量系数影响较大，径向喷孔流量系数随阻塞比或套筒扩张角的增加而减小，当阻塞比或套筒扩张角相同时，中等压差情况下径向喷孔流量系数基本维持不变。

2)动量比相同时，针栓喷注器阻塞比不同导致其针栓头区域局部动量比不同，进而对喷雾锥角和SMD产生显著影响，阻塞比越大，喷雾锥角越小，SMD越大；喷雾越往下游发展，SMD越小。

3)动量比相同时，针栓喷注器套筒扩张角越大，喷雾锥角越小，SMD越大，套筒扩张角降低至小于90°时，SMD会明显降低。

4)在一定的动量比下，可采取氧化剂中心式针栓喷注器适当增大、燃料中心式针栓喷注器适当减小阻塞比和套筒扩张角的方法，来获取合适的喷雾空间分布和滴液尺寸，实现喷雾雾化性能的提升。