薛帥杰，劉紅軍，陳鵬飛，夏益志

1. 西安航天動(dòng)力研究所，西安 710100 2. 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

強(qiáng)化液體推進(jìn)劑的霧化過(guò)程是提高液體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程質(zhì)量的主要方法。通過(guò)在推進(jìn)劑噴孔的上游注入少量氣體形成氣液兩相流，能提高噴嘴的噴注壓降[1]，同時(shí)氣泡在流出噴孔前后經(jīng)歷加速、變形、膨脹和爆破等過(guò)程，能強(qiáng)化液體射流的破碎霧化[2-3]。這種氣泡霧化方式能在較小的注氣量條件下獲得較優(yōu)的霧化效果[1,4]，是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)霧化液體推進(jìn)劑的一種選擇。但注氣后流體中的離散氣泡通過(guò)噴孔時(shí)可能使噴孔截面液相質(zhì)量分布出現(xiàn)波動(dòng)[5-6]，噴注射流可能不穩(wěn)定[5]。噴注射流的不穩(wěn)定可能誘發(fā)燃燒過(guò)程振蕩[7]，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，注氣時(shí)氣泡霧化射流的不穩(wěn)定現(xiàn)象成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)之一。

Jobehdar等[8]研究了氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡尺度及均勻性的影響，認(rèn)為氣泡霧化過(guò)程具有本質(zhì)不穩(wěn)定特征，這種不穩(wěn)定帶來(lái)的射流不穩(wěn)定偏離了設(shè)計(jì)需求，應(yīng)被最大限度減小。Shepard等[5,9]使用多孔介質(zhì)注氣，在不改變注氣量條件下實(shí)現(xiàn)了氣泡尺度可控，研究結(jié)果表明氣泡尺度對(duì)氣泡霧化射流的穩(wěn)定性影響顯著，氣泡尺度越大射流越不穩(wěn)定，當(dāng)氣泡尺度與噴孔直徑的比小于或等于1時(shí)射流較穩(wěn)定。孫春華等[6,10]使用透明氣泡霧化噴嘴，研究了氣液混合室內(nèi)兩相流型[11]及氣泡尺度對(duì)氣泡霧化射流穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明相較于段塞流和攪拌流，泡狀流產(chǎn)生的霧化射流較穩(wěn)定，提高液體流速和氣液質(zhì)量流量比(Gas-to-Liquid-Ratio, GLR)有利于減小泡狀流的氣泡尺度。Mlkvik等[12]對(duì)比了幾種典型注氣方式對(duì)噴注穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明由混合室外向內(nèi)注氣(“outside-in” type[4])的噴嘴，其霧化射流較穩(wěn)定。劉聯(lián)勝等[13]對(duì)比了橫向和豎向擺放的氣泡霧化噴嘴的穩(wěn)定性，結(jié)果表明噴嘴橫向擺放時(shí)氣液混合室內(nèi)可能出現(xiàn)氣液分層流動(dòng)，導(dǎo)致噴注過(guò)程劇烈振蕩。

為定量評(píng)估氣泡霧化射流的不穩(wěn)定程度，Jedelsky和Jicha[14-15]提出了一種利用PLIF(Planar Laser-Induced-Fluorescence)和PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)估計(jì)液霧場(chǎng)瞬態(tài)質(zhì)量流量的方法來(lái)評(píng)估噴注射流的不穩(wěn)定程度，結(jié)果表明在較寬的GLR范圍內(nèi)，隨GLR增大射流不穩(wěn)定程度減小，氣液兩相流型對(duì)射流不穩(wěn)定程度的影響顯著。Liu等[16-17]基于Edwards和Marx[18]的理想噴霧理論，使用PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)統(tǒng)計(jì)噴霧液滴到達(dá)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡霧化射流不穩(wěn)定程度的定量評(píng)估，結(jié)果表明射流不穩(wěn)定程度隨注氣孔徑的增加而減小，受注氣孔角度的影響較小，增加液體黏度有利于降低射流不穩(wěn)定程度。孫春華等[19]也提出了一種利用噪聲能量來(lái)評(píng)估氣泡霧化噴嘴穩(wěn)定性的方法。

上述氣泡霧化噴嘴的噴孔均為直流噴孔，噴孔一般位于氣液混合室底部中心且噴注方向與來(lái)流方向同向。離心噴嘴是一種廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓力霧化噴嘴，噴注壓降較高時(shí)霧化質(zhì)量較好。離心噴嘴的內(nèi)流過(guò)程較直流噴嘴復(fù)雜，并且對(duì)于帶有切向孔的離心噴嘴，其切向孔方向與來(lái)流方向一般不同。當(dāng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在低工況條件下工作時(shí)，離心噴嘴的噴注壓降較低且霧化變差，可能誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)低頻振蕩[7]。通過(guò)在噴嘴上游管路中注入少量氣體可顯著提高噴嘴的噴注壓降[1]并改善霧化，是抑制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)低頻振蕩的一種措施[20]，但注氣也可能使離心噴嘴的噴注射流不穩(wěn)定，注氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響有待深入研究。補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室的煤油噴嘴是一種旋流腔較長(zhǎng)(長(zhǎng)徑比可能超過(guò)10，長(zhǎng)徑比為旋流腔長(zhǎng)度/旋流腔直徑)的敞口型離心噴嘴(如圖1所示)，為預(yù)示液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)燃室煤油路注氣時(shí)的穩(wěn)定性特征，有必要了解注氣時(shí)敞口型離心噴嘴噴注過(guò)程的穩(wěn)定性。目前學(xué)者們針對(duì)注氣時(shí)離心噴嘴的穩(wěn)定性特征開(kāi)展的研究較少。

圖1 長(zhǎng)旋流腔敞口型離心噴嘴Fig.1 Open-end swirl injector with long swirl chamber

本文在大氣環(huán)境下使用水和空氣作為工作介質(zhì)，通過(guò)注氣裝置將空氣注入敞口型離心噴嘴上游供應(yīng)管路中(注氣裝置及噴嘴均豎直放置)，研究注氣過(guò)程中敞口型離心噴嘴噴注射流的穩(wěn)定性，對(duì)比分析管路內(nèi)氣泡尺度及兩相流型對(duì)噴嘴射流穩(wěn)定性的影響，拓展對(duì)氣泡霧化射流特性及離心噴嘴動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性特征預(yù)示提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用敞口型離心噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。離心噴嘴的部分旋流腔為透明石英玻璃，噴嘴的其他部分為不銹鋼。石英玻璃為矩形，旋流腔位于石英玻璃的中心。噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，噴嘴特征參數(shù)K的計(jì)算方法為K=2Rindc/(idt2)，其中Rin=(dc-dt)/2。

注氣裝置如圖3所示，注氣裝置通過(guò)4個(gè)直徑dg=2.0 mm的小孔由管路外向管路內(nèi)注氣(“outside-in” type)，水供應(yīng)管路直徑dL=10.0 mm，注氣孔距離心噴嘴集液腔距離為317 mm，注氣孔與噴嘴切向孔間的管路可視為氣液混合室。圖3中部分管路為石英玻璃，石英玻璃為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，其內(nèi)圓管直徑與水供應(yīng)管路的直徑相同。試驗(yàn)時(shí)，注氣裝置及噴嘴均豎直放置，噴嘴豎直向下噴注。

圖2 噴嘴試驗(yàn)件Fig.2 Test apparatus with injector

表1 敞口型離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of open-end swirl injectors

參數(shù)數(shù)值噴嘴01噴嘴03噴嘴05切向孔直徑dt/mm0.741.302.0切向孔數(shù)目i444旋流腔直徑dc/mm555幾何參數(shù)K9.722.740.94旋流腔長(zhǎng)度Lc/mm757575

圖3 注氣裝置(視圖旋轉(zhuǎn)90°)Fig.3 Gas injection apparatus (view rotated by 90°)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，通過(guò)高壓氮?dú)鈹D壓水貯箱實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用水供應(yīng)，水流量通過(guò)貯箱壓力和管路流阻控制。空氣通過(guò)高壓氣源供應(yīng)，空氣流量通過(guò)氣體文氏管直徑和氣體文氏管前壓力控制。

石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流型和噴嘴的噴注霧化過(guò)程均通過(guò)高速相機(jī)獲得。在相同的試驗(yàn)工況下，使用高速相機(jī)分別觀(guān)測(cè)噴嘴的噴注霧化過(guò)程和石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流型。試驗(yàn)中，使用LED面光源照射石英玻璃混合室或噴嘴液霧場(chǎng)，使用Phantom V12.1型COMS黑白高速相機(jī)及其鏡頭進(jìn)行觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)方法如圖4所示。高速相機(jī)采樣頻率為3 000 Hz(相鄰兩幀圖像間的時(shí)間間隔為333 μs)，拍攝圖像為8位灰度圖像。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of test apparatus

高速相機(jī)觀(guān)測(cè)石英玻璃混合室內(nèi)的氣液兩相流型時(shí)曝光時(shí)間為3 μs，拍攝區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素表示約0.059 mm×0.059 mm的區(qū)域；高速相機(jī)觀(guān)測(cè)噴嘴噴注的液霧場(chǎng)時(shí)曝光時(shí)間為10 μs，圖像分辨率為1 024 pixel×768 pixel，拍攝區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素表示約0.099 mm×0.099 mm的區(qū)域。

管路內(nèi)壓力及噴前靜壓均通過(guò)壓阻型靜壓傳感器測(cè)得，噴前靜壓傳感器安裝位置見(jiàn)圖3，各靜壓傳感器的采樣頻率均為1 000 Hz。供應(yīng)管路上還設(shè)置科氏力質(zhì)量流量計(jì)(型號(hào)：Micro Motion F050)，用于測(cè)量各工況下的水流量和空氣流量。試驗(yàn)中的各類(lèi)傳感器在試驗(yàn)前均通過(guò)檢定，各靜壓傳感器的測(cè)量誤差為±0.008 MPa，質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量誤差為示值的±0.5%。

1.3 試驗(yàn)工況

未注氣時(shí)各噴嘴試驗(yàn)工況如表2所示。噴嘴的壓降和流量均為30 s測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均值，管路液相折算速度JL為液體體積流量與供應(yīng)管路截面積之比。未注氣時(shí)噴嘴的噴注圖像如圖5所示。開(kāi)始注氣后，注氣量GLR由0%逐漸增加，通過(guò)調(diào)節(jié)液路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度及水貯箱壓力控制液路流量，使其與未注氣時(shí)的流量基本一致。

表2 未注氣噴嘴試驗(yàn)工況

圖5 噴嘴未注氣時(shí)的噴注圖像Fig.5 Injection images of injectors without gas injection

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 離心噴嘴噴注過(guò)程穩(wěn)定性

注氣時(shí)離心噴嘴的噴注過(guò)程在不同注氣量條件下均出現(xiàn)持續(xù)振蕩，圖6給出了不同注氣量下噴嘴01在約一個(gè)振蕩周期內(nèi)的噴注過(guò)程(圖中箭頭指向液霧場(chǎng)中液膜褶皺或液滴積聚區(qū))，可以看出：① 注氣明顯改變噴嘴的噴注霧化過(guò)程，隨著注氣量增加，噴嘴的噴霧角減小且液膜霧化破碎距離[21]縮短；② 注氣量較小(圖6(a)和圖6(b))時(shí)，噴注過(guò)程存在明顯的Klystron效應(yīng)[7,22-23]，液滴或液膜出現(xiàn)周期性積聚，液霧場(chǎng)上呈“寶塔”狀；③ 注 氣量較大(圖6(c))時(shí)，液霧場(chǎng)中液滴濃度周期性變化(圖6中(c)#1和圖6(c)#4的液滴濃度明顯小于圖6(c)#2和圖6(c)#3)，甚至出現(xiàn)噴注過(guò)程斷流情況，同時(shí)液霧場(chǎng)局部會(huì)伴隨出現(xiàn)液滴積聚現(xiàn)象(見(jiàn)圖6(c)#1和圖6(c)#3)。

本文通過(guò)分析液霧場(chǎng)局部區(qū)域的圖像亮度隨時(shí)間的變化來(lái)評(píng)估噴注過(guò)程的振蕩過(guò)程[22]。液霧場(chǎng)局部區(qū)域圖像亮度既能反映液膜的局部褶皺或液滴的積聚，也能反應(yīng)液霧場(chǎng)液滴濃度的總體變化。圖像的亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域?yàn)榫匦?，其長(zhǎng)邊方向與噴注方向垂直，如圖7所示。矩形的高度為7 mm，取值原則：兼顧振蕩曲線(xiàn)的信噪比和較寬頻率范圍內(nèi)振蕩過(guò)程的分辨率；矩形的上沿距噴嘴出口約15 mm，取值原則：取值區(qū)域位于液霧場(chǎng)的霧化破碎區(qū)，同時(shí)盡量靠近噴嘴出口，以避免亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的圖像虛化(拍攝時(shí)的對(duì)焦平面位于噴嘴中心位置)。將圖像統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)的亮度值求和并無(wú)量綱化，即得該區(qū)域的無(wú)量綱亮度。亮度無(wú)量綱化方法為：某工況下，亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的亮度為Iimage，該工況下亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域的亮度平均值為Iav，則無(wú)量綱亮度In=(Iimage-Iav)/Iav。

圖6 不同注氣量下噴嘴01的噴注過(guò)程Fig.6 Injection processes of Injector 01 with different GLRs

圖8給出了噴嘴01未注氣時(shí)噴注過(guò)程的振蕩曲線(xiàn)及幅頻特性曲線(xiàn)，圖9和圖10分別給出了噴嘴01注氣時(shí)噴注過(guò)程的振蕩曲線(xiàn)和幅頻特性曲線(xiàn)(圖中，t為時(shí)間，Aimage為圖像無(wú)量綱亮度振蕩幅值，f為頻率)。對(duì)比圖8～圖10可以看出：未注氣時(shí)離心噴嘴噴注過(guò)程較平穩(wěn)，幅頻特性曲線(xiàn)無(wú)明顯突頻；注氣后，噴注過(guò)程出現(xiàn)明顯的周期性振蕩；當(dāng)注氣量較小(GLR=0.60%或2.07%)時(shí)，噴注過(guò)程的振蕩能量集中在約70～400 Hz，即被中頻振蕩[7]主導(dǎo)(振蕩過(guò)程見(jiàn)圖6(a)和圖6(b))；注氣量繼續(xù)增加(GLR=5.55%)，噴注過(guò)程由低頻振蕩[7]主導(dǎo)(振蕩過(guò)程見(jiàn)圖6(c))，主頻為1.5 Hz(定義：幅頻特性曲線(xiàn)峰值位置的頻率為主頻)。圖像局部亮度統(tǒng)計(jì)的方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了離心噴嘴噴注過(guò)程振蕩強(qiáng)度的定量分析。

圖7 圖像亮度統(tǒng)計(jì)區(qū)域Fig.7 Regions for image intensity statistics

圖8 未注氣時(shí)噴嘴01噴注過(guò)程振蕩特征Fig.8 Oscillation characteristics of injection processes of Injector 01 without gas injection

圖11給出了不同注氣量條件下噴嘴01、03、05噴注過(guò)程的幅頻特性曲線(xiàn)的峰值及振蕩主頻(圖中，Aamp為幅頻特性曲線(xiàn)的峰值，fdominant為振蕩主頻)，可以看出：① 噴嘴01的振蕩峰值最高，噴嘴05的振蕩峰值最低；② 對(duì)噴嘴01，當(dāng)注氣量較高時(shí)噴注過(guò)程出現(xiàn)主頻約1～3 Hz的振蕩，且振蕩峰值突增(見(jiàn)圖11(a))；③ 總體上來(lái)說(shuō)，隨GLR增加，各噴嘴噴注過(guò)程的振蕩主頻呈減小趨勢(shì)，且噴嘴03和05的振蕩主頻始終高于噴嘴01。

圖9 注氣時(shí)噴嘴01噴注過(guò)程的振蕩曲線(xiàn)Fig.9 Oscillation curves of injection processes of Injector 01 with gas injection

圖10 注氣時(shí)噴嘴01噴注過(guò)程幅頻特性Fig.10 Frequency characteristics of injection processes of Injector 01 with gas injection

圖11 不同注氣量條件下噴注過(guò)程的振蕩峰值和振蕩主頻Fig.11 Amplitude and dominant frequency of injection processes with different GLRs

2.2 注氣離心噴嘴噴注過(guò)程的穩(wěn)定性

基于2.1節(jié)的分析，注氣量及噴嘴結(jié)構(gòu)不同時(shí)噴注過(guò)程的振蕩特征差別較大。要了解這種差別的原因，有必要認(rèn)識(shí)噴嘴上游的兩相流型及氣泡尺度。本文通過(guò)高速相機(jī)拍攝石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流獲得不同注氣量和水流量條件下的兩相流特征。

圖12給出了各噴嘴在不同注氣量下石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流特征(高速相機(jī)拍攝區(qū)域靠近石英玻璃混合室的下沿，圖中S01、S03、S05分別表示離心噴嘴01、03、05)。根據(jù)混合室內(nèi)的兩相流特征觀(guān)測(cè)結(jié)果，混合室內(nèi)的氣液兩相流型包括：泡狀流、段塞流、環(huán)狀流和霧式環(huán)狀流[11]；通過(guò)增加注氣量實(shí)現(xiàn)兩相流型的改變。基于氣、液相折算速度的兩相流型如圖13所示(圖中，JG為管路氣相折算速度，是管路內(nèi)氣相體積流量與供應(yīng)管路截面積之比)。

圖12 不同注氣量下石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流特征(視圖旋轉(zhuǎn)90°)Fig.12 Characteristics of two-phase flow in quartz glass mixing chamber with different GLRs (view rotated by 90°)

圖13 石英玻璃混合室內(nèi)的兩相流型Fig.13 Two-phase flow pattern in quartz glass mixing chamber

圖12和圖13可以看出：① 注氣量較小時(shí)，混合室內(nèi)的兩相流型為泡狀流(氣泡尺度<管路直徑dL)，氣泡彌散在管路內(nèi)，隨著注氣量增加泡狀流的氣泡尺度和氣泡密度均增加，其后氣泡聚合形成段塞流(氣泡尺度>dL)，注氣量繼續(xù)增加氣泡會(huì)在混合室內(nèi)進(jìn)一步聚合并形成環(huán)狀流(可視為氣泡尺度≥dL)；②JL和JG較高時(shí)，氣相與液相間的相互作用強(qiáng)烈，混合室內(nèi)氣泡無(wú)法聚合形成尺度大于dL的氣泡，此時(shí)大量氣泡彌散在管路中(見(jiàn)圖12(c)#3)；③JL和JG進(jìn)一步增加時(shí)，氣相與液相間的相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，混合室內(nèi)出現(xiàn)霧式環(huán)狀流(其形態(tài)見(jiàn)圖12(b)#4和圖12(c)#4)，此時(shí)壁面有薄液膜流動(dòng)，大量液相和氣相可能彌散在管路內(nèi)中心；④ 對(duì)于泡狀流，JL越大，氣泡尺度越小且氣泡密度越大，并能在較寬的JG范圍內(nèi)維持泡狀流狀態(tài)(這與文獻(xiàn)[24]給出的研究結(jié)果一致)。定義氣泡當(dāng)量直徑為dB，無(wú)量綱當(dāng)量直徑dBN=dB/dt，則有dBN(S05)>dBN(S03)>dBN(S01)。

綜合對(duì)比分析2.1節(jié)及圖12和圖13，可知：①dBN越大，噴嘴噴注過(guò)程的振蕩越強(qiáng)，頻率特性曲線(xiàn)峰值越高(見(jiàn)圖11(a))，原因可能是氣泡流過(guò)噴嘴切向孔時(shí)會(huì)堵塞液相在切向孔內(nèi)的流動(dòng)[5,8,15]，氣泡尺度較大且噴嘴切向孔直徑較小時(shí)，離散的氣泡群流過(guò)噴嘴對(duì)其切向孔的間歇性堵塞就越顯著，則噴注過(guò)程的振蕩越劇烈，文獻(xiàn)[5，10]的研究也證明了這一點(diǎn)；② 對(duì)于泡狀流和段塞流，由于噴前集液腔的存在，流過(guò)噴嘴的氣泡難以同時(shí)堵塞全部切向孔并造成噴嘴斷流，這一點(diǎn)與普通氣泡霧化噴嘴的不同，而當(dāng)氣泡隨機(jī)性堵塞某些切向孔時(shí)，噴嘴的流量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，噴注過(guò)程的液滴或液膜表現(xiàn)為間歇性積聚，即噴注過(guò)程具有Klystron效應(yīng)(見(jiàn)圖6(a)和圖6(b))；③ 對(duì)于環(huán)狀流，管路中的液相可能呈連續(xù)流態(tài)[10]，但其氣柱在集液腔內(nèi)可能形成與集液腔尺度相當(dāng)?shù)臍馀?，在某些時(shí)刻可能堵塞噴嘴的全部切向孔，造成噴注過(guò)程的流量大幅改變，甚至可能出現(xiàn)間歇性斷流的情況，噴注過(guò)程振蕩強(qiáng)度遠(yuǎn)高于泡狀流和段塞流(見(jiàn)圖11(a))，但對(duì)于普通氣泡霧化噴嘴，環(huán)狀流在噴孔內(nèi)的流動(dòng)可能是連續(xù)的[5]，噴注過(guò)程較穩(wěn)定；④ 對(duì)于霧式環(huán)狀流，管路中的液相亦為連續(xù)流態(tài)[10]，但流體從集液腔分流至離心噴嘴的4個(gè)切向孔時(shí)可能存在氣液比例的隨機(jī)性，噴注過(guò)程仍存在振蕩，Klystron效應(yīng)始終存在(如圖14所示，圖中箭頭指向霧場(chǎng)中液滴積聚區(qū))，這一點(diǎn)亦與普通氣泡霧化噴嘴的不同；⑤ 管路內(nèi)氣泡密度和兩相流型會(huì)影響噴注過(guò)程的振蕩主頻，隨著注氣量增加，噴注過(guò)程的振蕩頻率減小，原因可能是：注氣量增加后，管路內(nèi)氣泡的密度或體積會(huì)增加，且氣泡可能在混合室與噴嘴切向孔間的管路中發(fā)生聚合，進(jìn)一步增加氣泡的平均尺度，使氣泡或氣流對(duì)噴嘴切向孔的堵塞時(shí)間延長(zhǎng)，噴嘴噴注過(guò)程的振蕩頻率降低。

圖14 當(dāng)兩相流型為霧式環(huán)狀流時(shí)噴嘴03和05的噴注圖像Fig.14 Injection images of Injectors 03 and 05 when two-phase flow is in mist annular flow regime

3 結(jié) 論

為獲得注氣對(duì)離心噴嘴噴注過(guò)程穩(wěn)定性的影響，在大氣環(huán)境下，使用注氣裝置在敞口型離心噴嘴上游供應(yīng)管路中注入空氣，通過(guò)高速相機(jī)獲得了噴嘴上游管路內(nèi)的兩相流型及離心噴嘴噴注過(guò)程的穩(wěn)定性特征，采用圖像區(qū)域亮度分析方法定量評(píng)估了噴注過(guò)程的振蕩強(qiáng)度，研究結(jié)果表明：

1) 注氣能顯著影響敞口型離心噴嘴的霧化特征，隨著注氣量增加，霧化液膜破碎距離縮短且噴霧角減小。

2) 注氣能顯著改變噴嘴噴注過(guò)程的穩(wěn)定性特征，注氣后噴注過(guò)程出現(xiàn)明顯振蕩并伴隨Klystron效應(yīng)，氣泡對(duì)切向孔的間歇性堵塞作用可能是噴注過(guò)程振蕩及Klystron效應(yīng)的原因。

3) 管路內(nèi)氣泡尺度較大且噴孔較小時(shí)，噴注過(guò)程的振蕩幅值較大；隨著注氣量增加，噴注過(guò)程的振蕩頻率降低。

4) 氣泡尺度及兩相流型對(duì)噴注振蕩過(guò)程的影響與普通氣泡霧化噴嘴的顯著不同，柱狀流型時(shí)噴注過(guò)程出現(xiàn)1～3 Hz流量振蕩且可能間歇性斷流，霧化環(huán)狀流型時(shí)噴注過(guò)程仍伴隨明顯的Klystron效應(yīng)。