国内外凝胶推进剂撞击式雾化实验研究

胡芸珊 1,2,潘宏辉 1,2

上海空间发动机工程技术中心, 上海 201112

摘要：对国内外凝胶推进剂撞击式雾化的实验研究进行了综述。综述结果表明，随着射流广义雷诺数和韦伯数增大，凝胶射流撞击产生了与牛顿流体射流不完全相同的多种雾化模式，且凝胶推进剂离开喷嘴后破碎成微小液滴（液雾）更困难。以索特平均直径、射流破碎长度和雾化锥角作为雾化效果的评估指标，从射流状态参数，喷嘴结构参数，操作条件和凝胶物性四个方面对凝胶撞击雾化效果进行了分析，获得的结果为改善雾化效果和优化喷嘴设计提供了理论指导。最后，基于研究现状对凝胶推进剂撞击式雾化的后续研究提出了建议。

关键词：凝胶推进剂、雾化效果、扰动线性分析、数值模拟

0引言

凝胶推进剂是将凝胶剂（如二氧化硅(SiO₂）、黄原胶（Xanthan gum）、卡波姆(Carbopol）、Thixatrol-ST等）加入液体推进剂中得到的凝胶态非牛顿流体。凝胶推进剂存在明显的屈服应力，且粘度随剪切变稀的特性使其静止时像固体无法流动，在受剪切力时可像液体推进剂流动输送。因此，凝胶推进剂既具有液体推进剂可多次启动，推力可调的优点，又具有固体推进剂稳定性好、可长期储存、高密度比冲的优势，使得凝胶推进剂在导弹武器领域有广阔应用前景，已成为近年各国广泛研究的新型推进剂^[1]。

撞击式雾化是凝胶推进剂广泛应用的雾化方式，利用高速射流的动能使高粘度的幂律流体产生破碎，且撞击过程的强剪切作用降低了幂律流体的粘性，促进小液滴在气动力作用下进一步破碎、变形、剥离，有效提高了雾化液滴细度。已有实验研究表明，撞击式喷嘴相较于其他种类的喷嘴对非牛顿流体射流的雾化效果较好，应对已有的研究成果进行系统的总结和归纳。

针对凝胶推进剂撞击式雾化，本文综述了各国学者的实验研究，分析射流状态、操作条件、喷嘴结构和凝胶物性等因素对雾化效果的影响。

1撞击雾化实验系统

凝胶推进剂通常使用双股互击喷嘴，即以两股同种幂律射流成一定角度撞击破裂并产生小液滴或液雾。如图1所示，各国研究者采用凝胶模拟液对两股或两股以上撞击喷嘴进行了不同条件的撞击实验，以高速摄影、相位多普勒粒子分析仪 (PDPA)和马尔文粒子仪（Malvin）等技术捕捉雾化特征及定量参数，分析射流状态、操作条件、喷嘴结构和凝胶物性对雾化的影响，从而达到优化设计、提高雾化效果的目标。

对雾化效果的定量参数，多以索特平均直径、射流破碎长度、雾化锥角等作为评估指标。索特平均直径SMD是液滴群总体积与表面积的比值，用来表征雾化液滴颗粒的细度整体水平，可以反映液滴群真实的蒸发条件，具有重要意义。射流破碎长度l_k直接影响液滴进一步地变形与破碎的过程。破碎长度l_k的降低和雾化锥角 的展宽对雾化效果的提高有直接作用。

(1)

图1 （a）撞击式喷嘴 （b）高速摄影和供应系统

2撞击雾化实验影响因素

2.1射流状态

射流状态反映幂律射流非互击状态自由喷射特性，包括射流离开喷嘴的速度、是否在射流管路内混入空气、广义雷诺数Re_gen、韦伯数We等。

Metzner^[2]等人提出广义雷诺数用来划分非牛顿流体管道流动状态，其表达式如下，被广泛应用与非牛顿流体射流状态的定量。

（2）

Kampen^[3]等人采用含35%Al粒子的煤油凝胶进行双股撞击式雾化实验，发现随射流出口速度增大依次产生了射线型、液丝分离型、完全发展型三种雾化模式如图2所示。对于不同种类的凝胶，雾化模式转变的临界广义雷诺数和韦伯数是不同的，因此雾化模式的分界也没有明确的定量。

图2 射线型、液丝分离型、充分发展型

Baek^[4]等人对含SUS304纳米颗粒的Carbopol凝胶进行了撞击雾化实验，可视化雾化模式与Kampen等人观察到的类似。随射流速度增加，SMD减小并逐渐收敛到恒定值，水雾化SMD收敛到 ，而Carbopol凝胶雾化SMD收敛到 ，其值低于水，凝胶的弹性降低了雾化液滴的大小。

张蒙正^[5]等人采用激光全息技术，发现增大射流速度使得撞击点传播的环形不稳定波逐渐模糊，凝胶雾化网状结构更细密，雾化效果增强。另外，在凝胶管路中混入空气破坏了凝胶内部结构，可以明显促进雾化，且混入气量越大，效果越好。

2.2操作条件

操作条件包括喷射压力、偏心撞击、撞击夹角、射流自由段长度、射流温度。

Jayaprakash^[6]、Ma^[7]、Wang^[8]等人对不同凝胶种类进行撞击实验，发现撞击夹角增大能在降低SMD、增大雾化锥角方面改善雾化效果

Ma^[7]等发现随着喷射压力增加，空间雾场任意方向的SMD都降低，且无量纲平均液滴尺寸SMD/

d收敛到0.14（d为孔口直径）。Wang^[8]等人发现喷射压力增加有助于降低射流破裂长度和扩展雾化锥角，喷射压力增大到0.6MPa后效应降低。Jayaprakash^[6]等人采用含铝粒子凝胶的撞击实验，发现随着喷射压力增大雾化锥角降低如图3(1)所示，因此含金属纳米粒子凝胶与无粒子凝胶存在不同规律。

图3 (1)含30% Al（15 µm）煤油凝胶实验结果 (2)ADN水基模拟液实验结果

邓寒玉^[9]等人首次对偏心撞击进行了探究，观察到偏心撞击使液膜产生偏转，液膜形态呈强扰动液膜附着液丝模式。通过对雾场液滴尺寸的统计，偏心撞击对液滴尺寸分布影响较小，但显著降低了SMD，改善了雾化效果。

Fu^[10]等研究了温度对双股撞击式雾化的影响，发现射流温度的增高会降低凝胶稠度系数，并升高流动指数，降低了凝胶推进剂的粘性，使液滴易于破碎。

邓寒玉^[9]等对纳米SiO₂凝胶剂的航空煤油凝胶进行了雾化实验，射流长度增大使得撞击前射流扰动波振幅增大，破碎长度降低。另外，射流自由段长度对撞击雾化粒径的影响不是单调过程，射流长度为25/3时SMD达到极小值138 。Ma^[7]等人对比得到射流自由段长度为7mm时SMD较10mm时略小，与邓寒玉试验中最优射流长度接近。

2.3喷嘴结构参数

喷嘴结构参数包括喷嘴结构和几何参数，喷嘴结构方面包括三股/四股互击式喷嘴、收敛式喷嘴、异型孔口、谐振腔体，几何参数方面包括孔口直径、出口长径比。

张蒙正^[5]等和夏益志^[11]人对于三股式撞击与双股撞击雾化效果和燃烧实验进行对比，张蒙正^[5]等人实验发现双股优于三股/四股撞击式喷嘴雾化效果，喷雾撞击后的雾化锥角小，破碎长度较大。认为三股/四股撞击式喷嘴射流撞击后很难在一个方向自由展开形成液膜，撞击能量被损耗。夏益志^[11]人设计了如图4所示的喷注结构对真实甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO）凝胶推进剂进行雾化燃烧实验，三股撞击式喷嘴效果优于双股互击式，两股NTO撞击单股MMH（O-F-O）雾化效果优于（F-O-F）模式。

图4 三股撞击喷嘴结构图

Rahimi和Natan^[12]收敛型喷注器（如图5）喷嘴截面平均表观粘度的影响进行建模计算，结果发现，收敛角从2°增大到8°时平均表观粘度大幅度降低，所需喷射压力也减小。因此为得到好的雾化效果，需要较大收敛角。Fu^[10]等实验发现收敛式孔口喷嘴由于其剪切作用进一步降低了凝胶粘性，使得出口流量增大且液丝更不稳定。

图5 收敛型/突缩型喷嘴

Fu^[13]等通过实验探究了撞击喷嘴孔口的不同几何形状对雾化效果的影响，孔口形状包括椭圆形、圆形、方形孔、矩形孔。方形孔相较于圆形孔可降低破碎长度。矩形孔纵横比增大时会增大流量，由于非圆射流的转轴特性，长径比过大时引起液膜中心产生浓液流。尽管椭圆形孔相较圆形孔可提高射流不稳定性，但对破碎长度的影响不稳定。

Yang^[14]等人设计了一种新型的喷注器结构，如图6所示，腔体与亥姆霍兹谐振器类似，流体流过亥姆霍兹腔体会发生振荡扰动，使得喷注器形成的凝胶液膜不稳定性增强，液膜破裂长度有效减小。

图6谐振型喷嘴

Wang^[8]等研究发现喷嘴直径的增大尽管增加了雾化锥角，另一方面也增加了破裂长度，对雾化效果的影响不明确。Ma^[7]等人对喷嘴直径对液滴散度的影响进行了计算，散度 是描述雾化液滴尺寸范围的参数，其表达式如下，得到喷嘴直径0.6mm比0.8mm时液滴散度小，即喷嘴直径小时雾场液滴尺寸更均匀。

(3)

Fakhri^[15]等人通过实验研究了喷嘴入口几何形状（收敛型/突缩型）和出口长径比（l/d）后射流破裂过程的影响。大长径比（l/d=20）会大幅增加相同雷诺数下射流的破裂长度，认为大长径比导致射流更稳定，延迟液膜破碎成更细小的液滴。

2.4凝胶物性

凝胶物性主要对比了加入金属纳米粒子对雾化模式、效果等方面的影响。

Jejurkar^[16]等将纳米粒子加入凝胶推进剂ISRO sene后，出现了两个新的雾化模式：带孔开放边缘模式（见图6(1)a）和冲击波带纵向液丝模式（见图6（2））。带孔开放边缘模式(见图6(1)a,b)的特点是推进剂质量集中在中心区，产生多个棒状结构.随着纳米粒子浓度增大，射流撞击产生了纵向的液丝，开放边缘模式逐渐向冲击波带纵液丝模式（图6（2）b）过渡。

图7 (1)带孔开放边缘模式 (2)冲击波带纵向液丝模式

Baek^[4]等人对含15 wt.% SUS304纳米颗粒的Carbopol凝胶进行了撞击雾化实验，由于加入纳米颗粒，重颗粒的冲击能量增加，导致凝胶强度降低，含SUS颗粒的Carbopol凝胶的破裂长度明显短于纯Carbopol凝胶的破裂长度。Kampen

^[17]等人采用Jet A1航空煤油制备凝胶并加入Al粒子，对Al粒子35%和40%的凝胶进行了雾化实验，Al粒子含量的增加减小液膜宽度，增加破碎长度，对雾化不利。

3总结与展望

对凝胶推进剂撞击式雾化的实验研究进行总结，发现喷射压力、射流速度、广义雷诺数、收敛型喷嘴等因素可以增加剪切速率，降低凝胶粘度减小液滴SMD，使雾化效果增强；凝胶中加入金属纳米粒子浓度会显著增加破裂长度，增大雾化难度；喷嘴的优化设计可改善雾化效果，例如矩形孔口、谐振型腔体、减小出口长径比；三股撞击适用于燃料与氧化剂凝胶粘度差别较大的情况；凝胶剂含量显著影响雾化效果。

由于影响雾化的因素十分复杂，且雾化效果的影响因素并非全部互相独立的，例如平均表观粘度受射流速度、孔口直径和凝胶材料物性等影响，而射流速度取决于喷射压力，孔口直径等，各因素对雾化效果的影响难以分离，为雾化机理的认识带来阻碍。

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