双股射流碰撞雾化的实验研究

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由于双股射流碰撞雾化器在不同的喷注压力下都具有良好的雾化和混合特点,并且结构简单,易于制造和维修,所以在液体火箭发动机中得到了广泛的应用。液体经雾化器形成喷雾的质量受到射流速度、碰撞角、喷嘴特征、液体自身特性等多方面因素的影响,因此,研究各个因素对雾化效果的影响,探究其中规律,对于理解和应用射流碰撞雾化具有重要意义。  本文首先综述了国内外在研究双股射流碰撞雾化时,对液膜特征、喷雾角、液滴特征的研究,以及在对喷雾场测量过程中所采用的测量系统。之后,根据目前在研究内容及方法上存在的不足,确定了本文的研究内容、实验方案及工况。  根据研究内容,确定了实验台的整体系统原理:以高压氮气驱动液体高速流动形成两股射流,射流在通过方位调节系统之后,以一定角度进行碰撞形成雾化。计算了系统管路沿程阻力和局部阻力,确定实验系统所需承受的压力值。在实验台搭建完成后,调试了实验系统和CCD拍照系统,确保其处于最佳工作状态。  以去离子水为实验工质进行双股射流碰撞雾化实验,探究了射流速度、碰撞角、喷嘴内径等因素对雾化效果的影响。结果表明,在韦伯数较小时,液膜规则而完整,当韦伯数较大时,液膜开始破裂,下部出现弓形分布的液滴。同时,增大韦伯数能够引起喷雾角增大和液滴平均直径的减小。增大射流碰撞角能使碰撞更加剧烈,液膜变得不稳定,纵横比减小,喷雾角增大,液滴粒径减小。对比了不同韦伯数、碰撞角下液滴粒径的方差,发现增大碰撞角和韦伯数这些有利于增强液膜不稳定性的因素都会使得液滴分布更加均匀。对比内径分别为0.67mm、0.86mm、1.07mm的喷嘴形成的喷雾场,发现在所研究范围内喷嘴内径对雾化效果影响较小。  研究了粘度对雾化效果的影响,结果表明,甘油溶液具有较高的粘度,抵抗外界干扰能力强,增大韦伯数时,液膜尺寸增大,并且粘度越大,液膜越大。研究40%浓度甘油溶液雾化特征时,观察到了液膜翻转现象,从碰撞点往下出现连续多个相互垂直的液膜。甘油溶液粘度较大,液膜不容易向两侧扩张,并且密度较大,重力作用更加明显,在相同的射流速度条件下,甘油溶液形成的喷雾场张角偏小,并且粘度越大,张角越小。分析了不同粘度液体形成液滴的特征,发现粘度越高的液体形成的液滴平均直径越大,在韦伯数较小时,差异明显,而在较高的韦伯数条件下,粘度对液滴粒径影响较小,液滴平均直径差距减小,液滴粒径均匀性一致。
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