背压对气液针栓单元喷雾分布特性的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28614

流体力学与飞行力学

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背压对气液针栓单元喷雾分布特性的影响

李子光, 成鹏(), 李清廉, 白晓, 曹鹏进

国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙　410073

收稿日期:2023-02-24 修回日期:2023-03-20 接受日期:2023-05-05 出版日期:2024-01-25 发布日期:2023-05-12
通讯作者: 成鹏 E-mail:imchengpeng@yeah.net
基金资助:
国家级科学基金项目(2019-JCJQ-ZQ-019);国家自然科学基金创新群体研究项目(T2221002);国家自然科学基金青年科学基金(11902351);中国博士后科学基金(2021MD703976)

Influence of backpressure on spray distribution characteristics of a gas-liquid pintle injector element

Ziguang LI, Peng CHENG(), Qinglian LI, Xiao BAI, Pengjin CAO

Science and Technology on Scramjet Laboratory，College of Aerospace Science and Technology，National University of Defense Technology，Changsha 　410073，China

Received:2023-02-24 Revised:2023-03-20 Accepted:2023-05-05 Online:2024-01-25 Published:2023-05-12
Contact: Peng CHENG E-mail:imchengpeng@yeah.net
Supported by:
National Science Foundation Project(2019-JCJQ-ZQ-019);Innovation Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(T2221002);the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(11902351);China Postdoctoral Science Foundation(2021MD703976)

摘要/Abstract

摘要：

通过实验研究了径向孔型气液针栓单元在不同背压环境下的喷雾分布特性。搭建了可以提供0.1~6.0 MPa范围内的稳定背压并且具有多个光学测量窗口的常流式雾化实验系统，采用过滤水和干燥空气代替液氧和气甲烷进行了雾化实验。实验背压范围为0.1~1.5 MPa。采用背景光成像技术获得了气液针栓单元的喷雾图像，通过图像处理研究了喷雾形态及其空间分布。结果表明：气液针栓单元在背压环境中形成的喷雾扇内部充实，液雾浓密；喷雾边界具有明显的“折转”特征。根据喷雾的浓密分布将喷雾场分为3个区域：喷雾核心区、喷雾边界区和稀疏喷雾区。背压与局部动量比对喷雾径向空间分布范围的影响相反，背压越小、局部动量比越大，喷雾半锥角越大，喷雾迎风面边界轮廓线包络范围越大。此外，相比喷雾半锥角，喷雾迎风面边界轮廓线可以较好地说明喷嘴近场喷雾空间分布范围变化。

关键词: 液体火箭发动机, 气液针栓单元, 背压, 喷雾形态, 喷雾分布特性

Abstract:

The spray distribution characteristics of a radial-orifice gas-liquid pintle injector element were studied by experiments in different backpressure environments. A normal flow cold atomization experimental system which can provide stable backpressure in the range of 0.1-6.0 MPa and has multiple optical measurement windows was built. The atomization experiment was conducted by using filtered water and dry air instead of liquid oxygen and gas methane. The range of experimental backpressure was 0.1-1.5 MPa. The spray image of pintle injector element was obtained by using the background light imaging technology. The spray morphology and spatial distribution were studied by image processing.Results show that the spray formed by the gas-liquid pintle injector element in the backpressure environment was dense， and the spray boundary has obvious “turning” characteristic. According to the spray density distribution， the spray field is divided into three zones： spray core zone， spray boundary zone， and sparse spray zone. The influences of backpressure and local momentum ratio on radial spatial distribution range of spray are opposite. The smaller the backpressure is， the larger the local momentum ratio is， the larger the spray half angle is and the larger the envelope range of the windward boundary contour of spray is. In addition， compared with the spray half angle， the windward boundary contour of spray can better show the change of the spray spatial distribution range in the near field of the nozzle.

Key words: liquid rocket engine, gas-liquid pintle injector element, backpressure, spray morphology, spray distribution characteristic

中图分类号:

V434.3

李子光, 成鹏, 李清廉, 白晓, 曹鹏进. 背压对气液针栓单元喷雾分布特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128614-128614.

Ziguang LI, Peng CHENG, Qinglian LI, Xiao BAI, Pengjin CAO. Influence of backpressure on spray distribution characteristics of a gas-liquid pintle injector element[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(2): 128614-128614.

图/表 16

图 1

表 1

图 2

图 3

表 2

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表 3

现有径向孔型针栓单元喷雾半锥角公式

序号	作者	针栓类型与工质	类型	方程	备注
1	Cheng等（2017年）^［14］	径向孔（水）/轴向膜（水）	理论模型	$θ = a r c c o s 1 1 + L M R$
2	王凯等（2020年）^［33］	径向孔（水）/轴向膜（水）	半经验模型	$θ = a r c c o s 1 C 1 + C 2 · L M R$	C₁=0.75和C₂=1.25，用于表征液膜、射流变形程度
3	张波涛等（2021年）^［16］	径向孔（水）/轴向膜（气）	半经验模型	$θ = C 1 a r c t a n (2 · L M R)$	C₁=0.61，适用的LMR范围为0~3

表 3

图 10

图 11

图 12

图13

参考文献 36

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

结构参数	数值
气膜厚度H/mm	3.00
气膜宽度L/mm	7.00
跳过距离L_s/mm	9.00
中心通道壁厚T/mm	1.00
喷孔宽度W/mm	0.70
喷孔高度Y/mm	2.00
孔间间隔X/mm	1.63
阻塞比	0.30

序号	背压/MPa	气膜流量/（g·s^-1）	气膜速度/（m·s^-1）	射流流量/（g·s^-1）	射流速度/（m·s^-1）	LMR
1	0.50	66.20	315.90	81.60	19.46	0.253
2	0.52	51.20	315.90	89.20	21.27	0.391
3	0.50	32.80	284.00	83.80	19.98	0.599
4	0.52	33.10	278.00	94.50	22.54	0.771
5	0.52	33.50	280.00	102.70	24.50	0.894
6	0.52	33.50	280.00	113.50	27.10	1.091
7	1.04	63.90	271.40	79.80	19.03	0.291
8	1.00	45.30	218.00	79.30	18.92	0.506
9	0.97	39.30	202.00	82.70	19.72	0.684
10	1.01	41.50	198.30	89.50	21.35	0.773
11	0.98	39.80	197.30	98.30	23.45	0.978
12	0.96	40.80	204.30	106.90	25.50	1.090
13	1.46	80.10	251.80	88.40	21.09	0.308
14	1.52	63.40	201.40	87.60	20.89	0.477
15	1.54	64.50	202.10	103.90	24.78	0.658
16	1.52	46.00	153.70	82.90	19.77	0.772
17	1.49	48.60	165.00	94.00	22.42	0.876
18	1.50	46.90	156.20	101.80	24.28	1.124

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背压对气液针栓单元喷雾分布特性的影响

Influence of backpressure on spray distribution characteristics of a gas-liquid pintle injector element

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