周 毅，何小民，章宇軒

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210001）

0 引言

航空煤油作為現(xiàn)代戰(zhàn)略武器最常用的推進(jìn)劑，是1種具有高能量、高密度、高性能的液體燃料。燃料霧化是液體燃料燃燒的重要步驟，霧化質(zhì)量對(duì)燃燒室工作性能具有重要影響。燃料的橫向射流方式已經(jīng)在加力燃燒室、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中獲得廣泛的研究和應(yīng)用[1-4]。射流的穿透深度及軌跡是描述橫向射流的重要參數(shù)，會(huì)對(duì)下游的燃油分布產(chǎn)生直接影響，從而影響整個(gè)燃燒室的燃燒性能。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、加力燃燒室的設(shè)計(jì)過程中，要保證燃油在噴射過程中避免碰到燃燒室壁面。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃油橫向射流研究的工況從常溫到高溫，從低壓到高壓，也擬合了形式不同的穿透深度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。Wu等[5]進(jìn)行了常溫、環(huán)境壓力為0.14 MPa條件下水和酒精在超聲速氣流中橫向射流穿透深度的對(duì)比研究，并總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；吳里銀[6]在Ma=2.1的超聲速來流中常溫、低壓條件下，分析了總壓、速度、孔徑等參數(shù)的變化對(duì)煤油穿透深度的影響，并擬合了相應(yīng)的關(guān)系式，包括動(dòng)量比和流向位置，并在后續(xù)分析中將關(guān)系式進(jìn)一步整合為包括噴嘴流量系數(shù)、噴注壓降、來流總壓、流向距離和噴孔直徑等參數(shù)的函數(shù)；劉靜等[7]在總溫610 K下對(duì)超聲速射流中水的穿透深度進(jìn)行不同測(cè)量條件下擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)使用相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer,PDPA）測(cè)量得到的穿透深度最大；Ragucci等[8]在600 K、環(huán)境壓力2 MPa下，對(duì)煤油的穿透深度進(jìn)行研究，所研究的變量有動(dòng)量比、流量、韋伯?dāng)?shù)以及當(dāng)?shù)販囟葎?dòng)力黏度與常溫動(dòng)力黏度的比值；Ghenai[9]對(duì)馬赫數(shù)為1.5的超聲速橫流中液體射流進(jìn)行了研究，主要關(guān)注氣液質(zhì)量比對(duì)射流穿透深度和霧化效果的影響，并根據(jù)結(jié)果修正了射流邊界位置的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式?，F(xiàn)有擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式除了動(dòng)量比和位置參數(shù)[10-13]外，還包含韋伯?dāng)?shù)[14]、動(dòng)力黏度[8，15]、雷諾數(shù)[16-17]等，對(duì)穿透深度的擬合關(guān)系式的形式、影響因素和適用范圍均不一致，且針對(duì)亞聲速、高溫和較高壓條件下的穿透深度研究較少。

本文通過光學(xué)測(cè)量手段對(duì)來流壓力為0.12～0.27 MPa、溫度為 400～750 K、速度為 43.641～109.420 m/s條件下航空煤油橫向射流進(jìn)行拍攝，并通過Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，為直射式噴嘴在加力燃燒室和沖壓燃燒室中的實(shí)際應(yīng)用提供支撐。

圖1 直射式噴嘴油霧試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 直射式噴嘴油霧試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋到y(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)原理和實(shí)物分別如圖1、2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)包括供氣、供油、加溫和測(cè)量等子系統(tǒng)。氣源由2臺(tái)流量為0.4 kg/s、最高壓力為0.8 MPa的壓氣機(jī)提供，氣流經(jīng)穩(wěn)壓罐流入試驗(yàn)管路系統(tǒng)，由燃?xì)饧訙仄鲗?duì)燃燒室進(jìn)口氣流進(jìn)行加熱，以確保在進(jìn)行燃燒室試驗(yàn)時(shí)提供不同溫度的進(jìn)口氣流。試驗(yàn)中所使用的燃油泵最高油壓可達(dá)6 MPa，能夠滿足試驗(yàn)需求。

燃燒試驗(yàn)件根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)能承受的壓力為0.5 MPa。其參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)件尺寸參數(shù)

試驗(yàn)件總體結(jié)構(gòu)、剖面及粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry,PIV）測(cè)量段實(shí)物分別如圖3～5所示。在試驗(yàn)中，在氣流出口安裝調(diào)壓閥門以控制來流壓力，根據(jù)試驗(yàn)要求更換不同的噴油嘴，PIV的激光從激光入射窗口射入。

圖3 直射式噴嘴試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

圖4 試驗(yàn)裝置A-A剖面

本試驗(yàn)用噴嘴為直射式霧化噴嘴，液體燃料在壓力作用下直接經(jīng)過小孔射出，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在加力燃燒室和沖壓燃燒室中應(yīng)用廣泛。噴嘴實(shí)物如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)要求，噴口孔徑分別為0.79、1.00 mm。

圖5 直射式噴嘴油霧試驗(yàn)PIV測(cè)量段

圖6直射式噴嘴

試驗(yàn)選用PIV技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。所使用的PIV系統(tǒng)由La Vision公司生產(chǎn)，采用的激光器系統(tǒng)由2臺(tái)Nd：Yag激光器及光路調(diào)整系統(tǒng)封裝成一體。激光器的工作頻率為15 Hz，每個(gè)脈沖能量為200 mJ，2個(gè)激光器脈沖間隔為0.5～33300 μs，可以滿足從低速流動(dòng)到高速流動(dòng)測(cè)量的需要，典型的脈沖持續(xù)期為8 ns。電荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）相機(jī)分辨率為（2048×2048）pix，單幀頻率為 7 fps，每 2幀圖像之間的最小時(shí)間間隔為120 ns。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用PIV測(cè)量直射式霧化噴嘴油霧場(chǎng)，獲得來流溫度、來流壓力、噴孔直徑和燃油噴射壓力的變化對(duì)燃燒室內(nèi)油霧場(chǎng)影響的圖片。PIV系統(tǒng)的激光從試驗(yàn)段出口窗口垂直射入，照亮試驗(yàn)段燃油噴射噴口截面，用相機(jī)通過試驗(yàn)段側(cè)面觀測(cè)窗記錄試驗(yàn)段噴口截面內(nèi)油珠圖像。

在試驗(yàn)中，穩(wěn)定壓力用氣由壓氣機(jī)產(chǎn)生后通過儲(chǔ)氣罐提供，再輸送到試驗(yàn)管路中，在前測(cè)量段的測(cè)量口使用鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)量空氣來流進(jìn)口溫度，使用壓力表測(cè)量空氣來流進(jìn)口壓力，由氣流進(jìn)口處的加溫燃燒室對(duì)來流噴油燃燒，以提高來流溫度；采用孔板流量計(jì)測(cè)量試驗(yàn)段進(jìn)口流量，燃油噴射壓力由連接到加壓泵上的壓力表讀出；從試驗(yàn)段出口處射入PIV激光，在試驗(yàn)段側(cè)面放置CCD相機(jī)，透過PIV測(cè)量窗口對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)油霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝。拍攝分2個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行多次。通過對(duì)所得圖片進(jìn)行相關(guān)處理，分析各因素對(duì)燃料穿透深度的影響。改變來流溫度、壓力、速度和噴孔直徑、油壓差，試驗(yàn)工況變化范圍見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)中所獲得的原始圖像如圖7所示。為研究燃油穿透深度，需要通過Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)所得圖片進(jìn)行處理，并獲得穿透深度相關(guān)數(shù)據(jù)。

以外邊線定義燃油穿透深度與其軌跡。在實(shí)際處理過程中，將PIV原始試驗(yàn)圖片進(jìn)行二值化處理后等比例截取，圖片下邊緣與噴口所在平面保持一致，圖中的紅點(diǎn)為射流穿透邊界的取值點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)高度并獲得其坐標(biāo)，最后將得到的坐標(biāo)代入Matlab中進(jìn)行穿透深度關(guān)系式擬合，確定關(guān)系式中的相關(guān)參數(shù)。在取點(diǎn)過程中，在變化劇烈的上游多取點(diǎn)能夠較好地反映其變化趨勢(shì)，在下游變化平緩處則可相應(yīng)地少取點(diǎn)。穿透深度取值方式如圖8所示。

表2 試驗(yàn)工況變化范圍

圖7 原始圖像

圖8 穿透深度取值方式

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)研究了不同的來流壓力、來流溫度、油壓差、噴孔直徑的條件下燃油軌跡的變化規(guī)律。

2.1 不同氣體熱力學(xué)參數(shù)下燃油軌跡變化規(guī)律

來流壓力和來流溫度的變化對(duì)燃油軌跡的影響規(guī)律分別如圖9、10所示。從圖中可見，燃油軌跡沿著流向隨著距離的增加緩慢上升。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，氣流壓力越高，溫度越低，穿透深度越大。

圖10 不同來流溫度對(duì)穿透深度的影響

圖9 不同來流壓力對(duì)穿透深度的影響

空氣來流流量不變而壓力升高時(shí)，其密度增大，速度減小，對(duì)燃油液滴的橫向氣動(dòng)力變小，燃油穿透深度將隨之增大。根據(jù)油氣動(dòng)量比q=可知，當(dāng)空氣來流壓力升高時(shí)，油氣動(dòng)量比變大，因此更大的動(dòng)量比對(duì)應(yīng)更大的穿透深度。

同樣地，來流流量不變而溫度降低時(shí)，空氣密度增大、速度減小，燃油穿透深度將隨之增大。從動(dòng)量比的角度看，來流溫度升高時(shí)，油氣動(dòng)量比將變大，因此更大的動(dòng)量比同樣對(duì)應(yīng)更大的穿透深度。另外，溫度降低使燃油蒸發(fā)減弱，燃油粒徑增加，跟隨性變差，同樣導(dǎo)致穿透深度增大。

2.2 不同供油參數(shù)下的燃油軌跡變化規(guī)律

不同油壓差和噴孔直徑下燃油軌跡的變化規(guī)律分別如圖11、12所示。從圖中可見，燃油軌跡趨勢(shì)與前文所述類似，供油油壓差越高，噴孔直徑越大，燃油的穿透深度也越大。

圖11 不同油壓差對(duì)穿透深度的影響

圖12不同噴孔直徑對(duì)穿透深度的影響

當(dāng)噴孔直徑不變而供油油壓差升高時(shí)，燃油初速度增大，導(dǎo)致燃油穿透深度增大；在動(dòng)量比的定義中，燃油速度uf增大時(shí)，動(dòng)量比隨之增大，因此更大的動(dòng)量比對(duì)應(yīng)更大的穿透深度。

當(dāng)供油油壓不變而噴孔直徑增大時(shí)，供油流量升高，燃油初速度增大，動(dòng)量比隨之增大，同樣將導(dǎo)致燃油穿透深度增大。另外，噴孔直徑增大使一次霧化性能減弱，燃油粒徑增大，跟隨性變差，同樣導(dǎo)致穿透深度增大。

2.3 橫向射流中燃油軌跡分析

結(jié)合試驗(yàn)中各變量對(duì)燃油軌跡的影響分析，并根據(jù)對(duì)燃油軌跡關(guān)系式的相關(guān)研究[10]可知，動(dòng)量比是燃油穿透深度變化的主要影響因素。本研究將所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無量綱化后進(jìn)行關(guān)系式擬合（如圖13所示）。

圖13 穿透深度擬合曲線

式中：y為穿透深度；D為噴孔直徑；q為燃油與空氣動(dòng)量比；x為沿流向粒子到噴口的距離；a、b、c均為擬合的系數(shù)。

擬合得到無量綱關(guān)系式

試驗(yàn)值和關(guān)系式擬合值的對(duì)比如圖14所示。圖中給出了相應(yīng)±10%的誤差帶，從圖中可見，擬合的燃油軌跡關(guān)系式在與試驗(yàn)工況對(duì)比時(shí)最大誤差約為10%，說明所擬合的關(guān)系式可以較好地描述試驗(yàn)工況下燃油橫向射流的穿透深度。

圖14 擬合曲線和試驗(yàn)值的誤差分析

3 結(jié)論

本文采用PIV技術(shù)對(duì)航空煤油橫向射流進(jìn)行試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）氣體熱力學(xué)參數(shù)壓力在0.17～0.28 MPa、溫度在400～700 K的范圍內(nèi)增加使得燃油穿透深度減??；噴孔直徑在0.39～1.00 mm、噴油壓力在1.2～2.7 MPa范圍內(nèi)增加使得穿透深度增大；

（2）橫向射流燃油軌跡的變化與動(dòng)量比有很大關(guān)系，研究中最大穿透深度約為75 mm，試驗(yàn)結(jié)果和關(guān)系式都表明，穿透深度和動(dòng)量比存在著正相關(guān)的作用。

（3）在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)獲得無量綱穿透深度與動(dòng)量比和無量綱流向距離的關(guān)系式。