真空環(huán)境下液體射流霧化特性的實驗研究

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1、第36卷第5期2010年10月火箭推進JOURNALOFROCKETPROPU’LSIONV01．36．No．5Oct．2010真空環(huán)境下液體射流霧化特性的實驗研究李龍飛，池保華，楊偉東，洪流(西安航天動力研究所。陜西西安710100)摘要：為研究真空環(huán)境下液體的霧化特性及其影響因素，建立了真空環(huán)境噴霧實驗系統(tǒng)。用水模擬液體推進劑，真空環(huán)境艙的初始真空度小于lOPa，采用高速動態(tài)分析系統(tǒng)測量了噴霧場。結(jié)果表明，真空環(huán)境下液體射流的閃蒸是其破碎與霧化的主要因素之一；噴射速度較低時噴口發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象；隨著噴射雷諾數(shù)的增大，破碎長度變長而霧化錐角減小；噴射速度相同時，噴嘴直徑增大

2、，破碎長度和霧化錐角隨之增大。關鍵詞：真空環(huán)境；空間火箭發(fā)動機；霧化特性；閃蒸中圖分類號：V434．3—34文獻標識碼：A文章編號：(2010)05—0027—04ExperimentalstudyonatomizationcharacteristicofliquidjetinvacuumenvironmentLILong-fei，CHIBao-hua，YANGWei—dong，HONGLiu(Xi’allAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abmzaet：Inordertostudytheatomizationc

3、haracteristicanditsinfluenceonliquidjetinVaCU-unl，allexperimentalsystemwasbuilt，inwhichwaterwasusedinsteadoftheliquidpropellant，theinitialvacuum．degreeinthevacuulncabinwaslowerthan10Pa,andthehi曲-speeddynamicanalysissystemWasadoptedtomeasuretheatomization．Theexperimentalresultsshowthatthef

4、lashingoftheliquidjetinvacuumenvironmentisoneofthemainfactorsforatomizationofliquidjet,theicingphe—nomenonoccursontheedgeofinjectorasthejetvelocityislow，thelenstobreakupincreasesandthesprayangledecreaseswiththeincreaseoftheliquidReynoldsnumberinvacuum,andwhilethejetvelocityissame，thelarge

5、rthediameterofnozzleorificeis，thelongerthelenstobreakupwillbeandthemorethesprayanglewillbecom、e．Koyworch：vacuumenvironment；spacerocketengine；atomizationcharacteristic；flashing0引言真空環(huán)境下液體在噴射過程中會發(fā)生閃蒸，帶走熱量并可能結(jié)冰。這對于載人飛船，排放廢水若結(jié)冰會堵塞噴口，惡化宇航員的生活質(zhì)量；對于液體空間火箭發(fā)動機，會影響點火過程。參收稿日期：2010-09—21；修回日期：2010-10-

6、12基金項目：總裝備部預研項目作者簡介：李龍飛(1977一)，男，高級工程師，研究領域為噴霧燃燒28火箭推進2010年10月考文獻【1】1研究了太空環(huán)境下液滴凝固和升華過程，Kofsky等I：1研究了近地軌道空間站廢水排放過程，給出了水的噴射現(xiàn)象；Foucaud等【31用水模擬肼燃料，研究了燃料的噴注特性并評估了射流凝固堵塞噴孔的風險性；劉偉民等[41對低壓液滴的形態(tài)和溫度變化進行了研究；劉昌波等[51對N：04的真空排放過程進行了實驗。上述研究僅針對單個液滴或給出液體射流和閃蒸現(xiàn)象，對真空環(huán)境下噴嘴結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)影響的研究尚不充分。本文研究了射流雷諾數(shù)、噴嘴直徑等對真空

7、射流的霧化特性的影響。1實驗系統(tǒng)與方法真空環(huán)境液體噴霧特性實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括真空環(huán)境模擬艙、噴射系統(tǒng)、高速動態(tài)光學診斷系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)等。其中，真空環(huán)境是利用旋片泵和羅茨泵組成的兩級真空泵對環(huán)境艙抽真空，由于在真空環(huán)境中液體可能較快揮發(fā)導致壓力升高，為緩沖壓力的升高，真空艙容積盡量大，以保證實驗時間內(nèi)實驗段壓力升高較為緩慢，同時減小真空艙壓力波動。真空艙有效容積為3．5m3，兩側(cè)設置了光學玻璃窗口。高速動態(tài)分析系統(tǒng)包括高速攝影機、銅蒸汽激光器。推進劑的流量和壓力分別通過質(zhì)量流量計和麥克壓力傳感器測量。實驗前依次開啟壓