一种使用“缩进角”的概念设计气液同轴喷注器的方法

摘要

一种设计液体火箭发动机气液同轴喷注器的方法，它使用“缩进角”代替“缩进距离”，将缩进混合室分为三种不同流动模型，比较氧化剂中心液体喷嘴的雾化液膜展开角和缩进角的大小，使缩进角等于或略小于液膜展开角，这样可以确定氧化剂中心液体喷嘴的缩进距离，其设计步骤是：(1)按照离心喷嘴设计过程确定离心喷嘴各部分几何尺寸；(2)计算具有一定喷口长度的离心喷嘴当量几何特性系数AT和当量流量系数μT；(3)根据经验公式即计算出中心液体的液膜展开角θ；(4)按照气体喷嘴计算方法计算气喷嘴喷口面积直径大小，根据离心喷口外径确定气体喷嘴内径；(5)根据φ＝(0.7～1.0)θ确定缩进角φ，根据H＝(dg－dc)/2tg(φ/2)即可计算得出具有最佳的雾化效果的缩进距离HMINSMD，完成设计过程。

说明书

(一)技术领域

一种使用“缩进角”的概念设计气液同轴喷嘴的方法，本发明为液体火箭发动机气液同轴喷嘴的设计方法，主要应用于液体火箭发动机主推力室和预燃室喷注器设计和液体雾化等领域。

(二)背景技术

1963年中期，美国达因火箭公司(Rocketdyne)在研制J-2液体火箭发动机过程中第一次推出了有缩进的同心孔喷注单元，从此缩进对同轴喷注单元的影响就引起了人们的广泛关注。实际的研制经验表明，气液同轴喷嘴氧化剂喷嘴面相对于燃料喷嘴面的缩进距离对燃烧室内燃烧的完全性和稳定性起着非常重要的作用，但其影响的具体机理仍在探索之中。目前很多学者试图从冷态雾化角度探索氧化剂管缩进对同轴喷嘴雾化特性影响，但至今尚未得到一致的认识。

一些研究实验表明，液体中心管缩进对同轴喷注器喷雾液滴尺寸的影响是不明显或可以忽略的。桑卡(Sankar)等人采用相位多普勒粒子分析仪(即PDPA)详细测量了包括氧化剂喷嘴缩进在内的诸多参数对喷雾液滴尺寸、速度和质量通量的影响。研究表明，增加氧化剂喷嘴缩进距离对液滴尺寸有不同的影响，汉纽姆(Hannum)等人的研究表明液体氧化剂喷嘴缩进可能使平均液滴尺寸减小，热试也表明增加氧化剂喷嘴缩进导致燃烧效率提高，所观测到的性能提高其原因可能是改善了雾化质量。

布瑞克(Burick)报道在氧化剂喷嘴缩进深度小于氧化剂喷嘴直径的2倍时，氧化剂喷嘴的缩进一般会增加总的平均液滴尺寸。富奥科(Falk)发现氧化剂喷嘴的缩进对平均液滴尺寸的影响很小，但是，在他的研究中氧化剂喷嘴缩进的试验只进行了一次，古米(Gomi)观测到在氧化剂喷嘴无缩进与氧化剂喷嘴缩进距离为喷嘴直径3倍这两种情况下的液滴尺寸之间的差别很小。

国内外的研究表明：缩进距离对气液同轴喷嘴的燃烧效率和燃烧稳定性有着非常重要的影响，但一直未有成熟的设计方法，只能采用试验验证的办法来设计喷嘴。

(三)发明内容：

本发明的目的是首次提出用“缩进角”代替“缩进距离”，在气液喷嘴雾化效果上得到了规律性的认识，从而提供了一种设计气液同轴喷嘴的方法。使用本方法确定缩进角或缩进距离不仅能得到具有较小的索太尔平均直径(SMD)的雾滴群，保证燃烧高效和稳定性，而且方便可靠，设计快速简单。

本发明一种使用“缩进角”的概念设计气液同轴喷注器的方法，是采用下述技术方案：提出“缩进角”概念，代替“缩进距离”，将缩进混合室分为三种不同流动模型；通过经验公式，计算出中心管氧化剂的液膜展开角θ；最后调整参数，使缩进角等于或略小于φ＝(0.7～1.0)θ液膜展开角，即可得到具有最佳的雾化效果缩进距离。

所述缩进角如图1所示，所述氧化剂液膜展开角θ，可以使用以下经验公式计算得出：

$>>tg>>\theta >2>>=>>>0.856>·>e>>>0.006>·>>\Delta P>>P>0>>>>>>>2>>\mu >T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>-sup>>>4>\mu >>T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>->->->>(>1>)>>>s>$

其中μ_T为考虑液体粘性的流量系数。

ΔP为离心喷嘴压降，P₀为反压，A_T为考虑液体粘性的离心喷嘴几何特性系数，S为离心喷嘴空气涡无量纲半径比，d_g为气体喷口直径，d_c为液体离心喷嘴喷口直径，H为缩进距离。

如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示，所述三种流动模型是指通过比较液体喷嘴缩进角φ与液膜展开角θ，将不同缩进距离的缩进混合室内气流与液膜的相互作用分为三种流动模型，当180＞φ＞θ时，气流与液膜的相互作用发生在同轴喷嘴喷口外，称为外混合流动，当φ＝θ时，离心液膜恰好撞击气体喷口出口边缘，此时称之为临界缩进，当φ＜θ时，气、液的相互作用在缩进混合室内进行，称为气液缩进内混合流动。

综上所述，本发明一种设计液体火箭发动机气液同轴喷注器的方法，当设计要求为：喷注器采用气液同轴式，中心液体喷嘴采用离心式，给定液体流量和喷雾角，气体喷嘴采用直流式，给定流量以及给定气体和液体的全部物理性质，喷注器的整体长度和管壁厚已选定的情况下，其设计步骤如下：

1.按照离心喷嘴设计过程确定离心喷嘴各部分几何尺寸；

2.计算具有一定喷口长度的离心喷嘴当量几何特性系数A_T和当量流量系数μ_T；

3.根据经验公式即 $>>tg>>\theta >2>>=>0.856>·>>e>>0.006>·>>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>,>>s>计算出中心液体的液膜展开角\theta ；$

4.按照气体喷嘴计算方法计算气喷嘴喷口面积直径大小，根据离心喷口外径确定气体喷嘴内径；

5.根据φ＝(0.7～1.0)θ确定缩进角φ，根据H＝(d_g-d_c)/2tg(φ/2)即可计算得出具有最佳的雾化效果的缩进距离H_MINSMD，完成设计过程。

其中：当180＞φ＞θ时，气流与液膜的相互作用发生在同轴喷嘴喷口外，称为气液缩进外混合流动。

其中：当φ＝θ时，离心液膜恰好撞击气体喷口出口边缘，此时称之为气液临界缩进流动。

其中：当φ＜θ时，气、液的相互作用在缩进混合室内进行，称为气液缩进内混合流动。

其中：其缩进角φ按照下述公式算出

其中d_g为气体喷口直径，d_c为液体离心喷嘴喷口直径，H为缩进距离。

其中：确定气液同轴喷嘴中心氧化剂液体喷嘴雾化液膜展开角的大小，可以采用实际测量和经验公式估算，估算的经验公式可以有多种形式，本发明给出一个中心氧化剂液体离心喷嘴雾化液膜展开角的大小θ的估算经验公式，为：

$>>tg>>\theta >2>>=>0.856>·>>e>>0.006>·>>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>;>>s>$

其中ΔP为离心喷嘴压降，P₀为反压，A_T为考虑液体粘性的离心喷嘴几何特性系数，μ_T为考虑液体粘性的流量系数，S为离心喷嘴空气涡无量纲半径比。

其中：当φ＝(0.7～1.0)θ，即气液临界缩进时，液雾索太尔平均直径SMD最小，雾化效果最好，按照本文给出的中心氧化剂液体离心喷嘴雾化液膜展开角的大小θ的估算经验公式 $>>tg>>\theta >2>>=>0.856>·>>e>>0.006>·>>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>,>>s>此时最佳雾化缩进距离为：$

$>>>H>MINSMD>>=>>(>>d>g>>->>d>c>>)>>/>>(>>>1.711>e>>>0.006>>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>)>>.>>s>$

本发明的优点和达到的有益效果是：

本方法使用“缩进角”代替“缩进距离”，将缩进混合室分为三种不同流动模型，比较氧化剂中心液体喷嘴的雾化液膜展开角和缩进角的大小，使缩进角等于或略小于液膜展开角，这样可以确定氧化剂中心液体喷嘴的缩进距离，按此方法设计的缩进距离，可保证气液同轴喷注器得到最佳的雾化效果和燃烧效率，并保证燃烧室的稳定燃烧。本设计方法不但可以应用在液体火箭发动机的设计中，对其他领域同类的喷嘴设计也适用。

本发明一种使用“缩进角”的概念设计气液同轴喷注器的方法，采用上述技术方案后，其所提供的设计方法具有的有效效果已由专门试验验证。

试验结果见图3所列表，可以看出，液膜展开角θ均大于缩进角φ，根据上面的分析，离心液膜撞击气体喷口内壁面，属于气液缩进内混合流动。但是在15个最小SMD试验点中有9个试验点，液膜展开角θ与缩进角φ之差在10°以内，考虑液膜展开角θ的测量误差和同轴气流的影响，液膜展开角θ等于或略大于缩进角φ，即φ＝θ时，离心液膜恰好撞击到气体喷口出口边缘处，属于气液临界缩进。其余6个试验点，液膜展开角θ与缩进角φ的差较大，φ＜θ属于气液缩进内混合流动。从全部试验点来看，液膜展开角θ等于或略大于缩进角φ的同轴喷嘴，液滴SMD均较小，而液膜展开角θ大于缩进角φ的内混合流动，SMD变化很大，这说明液膜撞壁后，雾化影响因素变得复杂。根据以上分析和对比，初步验证了理论分析中所提出的缩进混合室内的三种气、液相互作用的流动模型，气液临界缩进流动的SMD最小，气液缩进外混合流动的SMD较大，气液缩进内混合流动的SMD变化较复杂，可能较大，也可能较小。

当φ＝θ，气液同轴喷嘴缩进混合室内为气液临界缩进流动，这时液滴的SMD最小，由此推导出液体离心喷嘴最佳雾化缩进距离H_MINSMD如下： $>>>H>MINSMD>>=>>(>>d>g>>->>d>c>>)>>/>>(>>>1.711>e>>>0.006>>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

(四)附图说明

图1是本发明对缩进角的定义图。

图2是本发明描述的气液同轴喷嘴缩进混合室流动示意图。

图2(a)是气液同轴喷嘴结构示意图。

图2(b)是图2(a)A处的局部放大图，表示气液外混合流动。

图2(c)是图2(a)A处的局部放大图，表示气液内混合流动。

图2(d)是图2(a)A处的局部放大图，表示气液临界缩进流动。

图3所列表是本发明最小SMD的缩进角与液膜展开角的比较。

图中序号及代号如下：

φ-缩进角    d_g-气体喷口直径    d_c-液体离心喷嘴喷口直径

H-缩进距离   θ-液膜展开角      SMD-索太尔平均直径

H_MINSMD-最佳雾化缩进距离H_MINSMD

1-液体离心喷嘴     2-气体喷嘴    3-液体入口

4-气体入口         5-气相区      6-气液两相区     7-分界线

(五)具体实施方式

本发明一种使用“缩进角”的概念设计气液同轴喷注器的方法，如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示，其设计一气液离心同轴喷注器，以水和空气为模拟工质，已知液体流量为m₁＝12g/s，压降为ΔP₁＝0.5MPa，当无长喷口时的液膜展开角为α＝100°，水的密度为ρ＝1000×kg/m³，气体流量为m₂＝3g/s，压降为 $>sup>>P>2>*sup>>=>0.3>MPa>,>>s>气体温度为293K，计算过程如下：$

1)由离心喷嘴的液膜展开角与几何特性系数A及流量系数μ的关系曲线图，查的A＝5.7，μ＝1.4，根据实际经验可修正为A＝6，μ＝1.2；

2)离心喷嘴喷口直径 $>>>d>c>>=>>>4>\pi >>·>>>m>1>>>\mu >>2>\rho \Delta >>P>1>>>>>>=>2>mm>,>>s>设离心喷嘴为单切向入口，可得切向入口直径为2mm，由此可得旋流腔的直径为14mm；$

3)设离心喷嘴喷口长度为22.2mm，可计算得出考虑喷口粘性的当量几何特性系数：

和当量

流量系数

其中φ＝0.3006， $>>ver>>L>‾>>c>>=>>>22.2>mm>>>1>mm>>>=>22.2>;>>s>$

4)使用经验公式(1)计算离心喷嘴液膜展开角

$>>tg>>\theta >2>>=>0.856>·>>e>>0.006>·>\; >>\Delta P>>P>0>>>>>>>>>2>\mu >>T>>>A>T>>>>>>(>1>+>S>)>>2>>->4sup>>\mu >T>2sup>sup>>A>T>2sup>>>>>s>$

$>>=>0.856>·>>e>>0.006>·>>0.5>0.1>>>>>1>>>>(>>>1>+>0.8869>>>2>\times >0.2604>\times >1.6055>>>)>>2>>->1>>>=>0.4361>>s>$

得液膜展开角θ＝47.12°；

5)气液同轴喷嘴气喷嘴喷口的环状面积 $>>S>=>>>>m>1>>>>T>*>>>>sup>>KP>2>*sup>>q>>(>\lambda >)>>>>=>>>4.2>mm>>2>>,>>s>其中K＝0.0404，q(\lambda )＝1。又因为液喷嘴喷口外径直径设计为4mm，所以计算得出气喷嘴内径直径$ >>>d>g>>=>2>>>S>\pi >>+>4>>=>4.6>mm>;>>s>$$

6)令缩进角＝0.95θ＝0.95×47.12°＝44.764°，即可确定最佳缩进距离至此，气液同轴喷嘴即气液同轴喷注器的各个主要尺寸设计完毕。

据试验结果表明，当缩进距离分别为0.0，1.5，3.0，4.5，5.7时，测得液雾的索太尔平均直径(SMD)分别为193，203.4，132.9，164.4，135.2，这说明在设计气液同轴喷嘴缩进距离时，使用本方法所得的最佳缩进距离，会得到理想的喷雾效果。