徐 高，顾阳晨，朱帜帆，翁春生，白桥栋，杨建鲁

(1. 南京理工大学 教育实验学院，江苏 南京 210094；2. 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

0 引言

凝胶推进剂是一种新型发动机推进剂，它是指将燃料或氧化剂通过凝胶剂凝胶化，从而形成的一种结构稳定、可以长期储存的胶状推进剂。凝胶推进剂是一种非牛顿流体，具有剪切变稀的特性[1-2]，其优点是能量密度高、流量易调节、安全性高，有着广阔的应用前景[3]。

凝胶推进剂的流变及雾化特性直接关系到其燃烧质量，是当前研究的热点。Padwal等[4]研究了凝胶推进剂雾化后液滴粒径与其粘度、流动速率的关系，表明凝胶流动速率增加会造成粘度降低和索太尔平均粒径增大；杨伟东等对[5]凝胶推进剂模拟液在直圆管中的流动特性进行了理论分析和实验研究；韩伟等[6]通过实验研究了不同凝胶剂制成的四氧化二氮凝胶推进剂的流变特性，提出了一种性能良好的凝胶推进剂配方；Rahimi等[7]通过建立数学模型研究了凝胶推进剂在锥形管道中流动时壁面摩擦力对其流变特性的影响；Kampen等[8]对凝胶燃料双股撞击雾化过程中不同的液滴破碎模式进行了研究。张蒙正等[9]采用激光全息和图像处理技术捕捉了凝胶推进剂雾化过程中的形态变化，并认为减小射流直径，增大射流撞击角和射流速度有助于凝胶推进剂的撞击雾化；Baek等[10]对C934卡波姆凝胶掺入SUS304纳米粒子与未掺入该粒子情况下进行双股撞击雾化实验，并将实验结果与水的撞击雾化进行比较；陈杰等[11]对凝胶模拟液雾化速度场的研究表明，增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度，当有效撞击速度增大到一定值时，凝胶推进剂可以充分雾化；邓寒玉等[12]对凝胶推进剂射流的偏心撞击雾化进行了实验研究；杨建鲁等[13]通过实验研究了凝胶剂含量和剪切速率对凝胶汽油表观粘度的影响。

本文根据凝胶汽油剪切变稀的特性，设计了预剪切管在凝胶汽油雾化之前对其进行剪切作用，旨在降低其表观粘度，提升雾化品质。采用Malvern粒度仪和粒子速度测试系统分别测量了凝胶汽油雾化后的液滴粒径和速度，分析和评价预剪切管对凝胶汽油雾化特性的影响，为凝胶推进剂雾化装置的优化设计提供参考。

1 实验装置及测试方法

1.1 凝胶汽油的配制方法

实验使用的凝胶推进剂由汽油和纳米SiO2通过物理混合的方式配制而成，其中纳米SiO2作为凝胶剂，质量分数为4%。制备时将纳米SiO2加入汽油中，立即进行机械搅拌和超声波震荡促使两种组分混合均匀，即可制得凝胶汽油样品。

1.2 喷射雾化系统简介及预剪切管的设计

1.2.1 喷射雾化系统简介及撞击式雾化流场测量方案

实验采用双股射流撞击式雾化装置对凝胶汽油进行雾化，喷射雾化装置如图1所示。配制好的凝胶汽油预先加注到储存罐中，实验时通过高压氮气驱动流出，经过球阀②后均分为两股，通过喷嘴射出后两股射流相撞完成雾化。两股射流的撞击角θ为90°，喷嘴内孔直径Di为0.8 mm，内孔长度Li为4.8 mm。

图1 喷射雾化装置示意图

为了研究预剪切管对凝胶汽油撞击式雾化特性的影响，采用Malvern粒度仪测量凝胶汽油雾化后的液滴粒径，用激光照射雾化区域，通过软件分析液滴造成的光路散射角度计算激光照射区域的液滴平均粒径。本文采用的液滴粒径数据都是在距离喷嘴口300 mm处测得的液滴索太尔平均直径(SMD)。采用粒子速度测试系统(PIV)测量凝胶汽油雾化后的液滴速度分布，在相同工况下，高速相机在50 μs的时间间隔下连续拍摄雾化流场的两帧图像，后处理软件对两帧图像中所有的液滴进行识别和一一对应，计算出每一个液滴的位移，最后得出液滴速度分布。实验所得雾化流场与文献[9]对凝胶推进剂撞击式雾化的流场特征的分析相符合。测量时可调节参量有驱动凝胶汽油的喷射压力p、预剪切管喉部直径D和喉部长度L。

1.2.2 预剪切管的设计

文献[13]的研究表明，以纳米SiO2为凝胶剂的凝胶汽油具有剪切变稀的特性和有限可逆的触变性，即对凝胶汽油施加预剪切时其表观粘度会降低，预剪切撤除后其表观粘度会发生有限的恢复，但不能恢复到初始时的粘度值。根据凝胶汽油的以上特性，本文设计了能对其进行剪切作用的预剪切管，如图2所示。由于喉部管径较小，凝胶汽油流经预剪切管时速度增大，其所受到的剪切力也迅速增大，表观粘度减小。而且凝胶汽油从流经预剪切管到完成喷射雾化的时间较短，其表观粘度的恢复可以忽略，因而加装预剪切管将对雾化效果产生影响。预剪切管喉部的直径D和长度L分别决定了凝胶汽油所受剪切力的大小和作用时间，研究这两个参量的变化对凝胶推进剂雾化特性的影响是本文的重点。本文设计并加工了不同形状参数的预剪切管，其中喉部直径D分别为2 mm、3 mm和4 mm(两侧孔径为7 mm)，长度L分别为10 mm，20 mm和30 mm。预剪切管编号也依据这两个参量标记为D*L*形式，例如D2L10表示喉部直径为2 mm，长度为10 mm的预剪切管。

图2 预剪切管示意图

2 实验结果及其分析

2.1 喷射压力对凝胶汽油雾化特性的影响

为了研究喷射压力对凝胶汽油雾化特性的影响，分别在未加装预剪切管和加装预剪切管的情况下，对凝胶汽油雾化后液滴粒径和速度进行测量。

表1为未加装预剪切管和分别加装D2L10及D3L20的预剪切管在不同的喷射压力下的液滴粒径分布情况。分析相同喷射压力下的粒径数据可知，加装预剪切管后雾化的液滴粒径的大小明显小于未加装预剪切管的液滴粒径。这是由于SiO2/汽油凝胶中形成了立体网状结构，加装预剪切管后相当于施加了一个剪切作用，剪切力将整体网状结构破坏成许多网状颗粒结构，表观粘度相应下降，进而导致雾化后液滴粒径相应减小。

表1 雾化后液滴粒径随喷射压力变化

分析表1可知，随着喷射压力的增大，液滴粒径随之减小：喷射压力从0.50 MPa增加到0.75 MPa时，未加装预剪切管情形下雾化后液滴粒径减小了14.8 μm，加装D2L10预剪切管的减小了13.5 μm，加装D3L20预剪切管的减小18.2 μm；而喷射压力从0.75 MPa增加到1.25 MPa时，未加装预剪切管情形下的雾化后液滴粒径减小10.5 μm，加装D2L10预剪切管的减小8.8 μm，加装D3L20预剪切管的减小6.7 μm。由此可知在较低喷射压力下，雾化后液滴粒径大小更易受到压力变化的影响；当喷射压力逐渐增大，粒径大小变化趋于平缓。这是因为随着喷射压力的增大，凝胶汽油剪切速率相应增大，表观粘度减小，则雾化后的液滴粒径也随之减小。但文献[13]表明，剪切速率增大到一定值时，凝胶汽油表观粘度减小的趋势放缓，因此喷射压力越大，对雾化后液滴粒径的影响也越小。

“文化自信是一个国家、一个民族发展中更基本、更深沉、更持久的力量”，“没有高度的文化自信，没有文化的繁荣兴盛，就没有中华民族伟大复兴”。[3]23，41强调文化自信，符合科学社会主义的理论逻辑，深化并拓展中国特色社会主义的文化规定性，不仅涉及意识形态、文化形态和物性载体的统一，而且蕴涵着精神信仰、价值规范与价值承诺三个基本维度的“应然”融合。

图3为在不同喷射压力下，未加装预剪切管和加装D2L10预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。图中表明在同样的喷射压力下，相比于未加装预剪切管时的情形，加装D2L10预剪切管的雾化后液滴速度明显减小，雾化场高速区域面积减小，说明加装预剪切管会造成雾化后液滴速度一定程度上的衰减。这是因为预剪切管对凝胶推进剂的预剪切作用虽然降低了表观粘度，但也造成了能量的损失，使得碰撞时射流的动能减小，液滴速度降低。

图3 不同条件下雾化后液滴速度分布矢量图

图3还表明了喷射压力对雾化后液滴速度的影响。随着喷射压力的增加，射流撞击时的动能增大，从图中可以看出，雾化后液滴的速度增大且雾化场高速区域的面积增大。

2.2 预剪切管喉部直径对凝胶汽油雾化特性的影响

预剪切管喉部直径D越小，对凝胶汽油剪切力越大，为了研究其对凝胶汽油雾化特性的影响，加装不同喉部直径的预剪切管对凝胶汽油雾化后液滴粒径和速度进行测量。

表2是加装喉部长度为10 mm和20 mm的预剪切管雾化后液滴粒径随喉部直径变化的数据。随着喉部直径的减小，雾化后液滴粒径也减小。这是因为喉部直径越小，对液流剪切作用越强。从粒径数据的变化趋势又可看出，喉部直径从4 mm减小到3 mm时液滴粒径的降幅明显小于喉部直径从3 mm减小到2 mm时的降幅，表明在喉部直径较小时，直径的变化对粒径的影响较大，即在较大剪切力作用下凝胶汽油的表观粘度才会有显著变化。

表2 雾化后液滴粒径随喉部直径变化

当预剪切管喉部直径从4 mm减小到2 mm时，两种情形下的液滴粒径的绝对降幅分别为33.1 μm和32.0 μm，相对降幅分别为21.4%和22.0%，数值接近，因此对于不同的喉部长度，喉部直径变化对雾化后液滴粒径的影响程度几乎相同。

为了研究预剪切管喉部直径对雾化后液滴速度分布的影响，加装喉部长度为20 mm，喉部直径分别为4 mm，3 mm和2 mm的预剪切管在喷射压力为1.00 MPa下进行雾化实验。图4为加装不同喉部直径的预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。从图中可以看出随着喉部直径的减小，核心撞击区的速度减小，高速区域的面积减小。预剪切管喉部直径从4 mm变化到3 mm时，液滴速度整体下降比较大，喉部直径从3 mm变化到2 mm时，液滴速度只是略有下降。

图4 雾化后液滴速度分布随喉部直径变化

随着预剪切管喉部直径的减小，凝胶汽油受到的流动阻力增大，能量损失增加，导致雾化后液滴速度减小。由于喉部直径从4 mm变化到3 mm时管道截面积减小约5.5 mm2，喉部直径从3 mm变化到2 mm时管道截面积减小3.9 mm2，因此前一个变化过程中液滴速度的整体降幅更大。此外喉部截面积与两侧管道的截面积差值越大越有利于降低凝胶汽油的表观粘度，从而减小液滴撞击时的能量损失，这种补偿作用也能减小雾化后液滴速度的降幅。

2.3 预剪切管喉部长度对凝胶汽油雾化特性的影响

表3为加装喉部直径为2 mm和3 mm的不同长度预剪切管测得的粒径变化数据。分析数据可知，对于喉部直径为3 mm时的数据，随着预剪切管喉部长度的增加，雾化后液滴粒径减小。这是由于随着喉部长度的增加，所施加的剪切力作用时间增长，表观粘度降低，雾化后液滴粒径也随之减小。但从喉部直径为2 mm时的数据却发现在喉部长度从20 mm增加到30 mm时，雾化后液滴的粒径反而上升了。这说明随着剪切力作用时间的增加达到一定值时，凝胶汽油表观粘度趋于稳定不再明显降低，而喉部长度的增加还会使液流能量损失增加，流速降低，导致雾化时液滴碰撞破碎的频率减小，液滴粒径增大。

表3 雾化后液滴粒径随喉部长度变化

当预剪切管喉部长度从10 mm增加到20 mm时，两种情形下的液滴粒径绝对降幅分别为7.8 μm和3.2 μm，相对降幅分别为6.4%和2.3%。可见在喉部直径较小时改变喉部长度对粒径的影响比较大，这说明喉部直径相比于两侧孔径越小，对凝胶汽油的剪切力越大，此时改变剪切时间对液滴粒径产生的影响也越大。

为了研究预剪切管喉部长度对雾化后液滴速度分布的影响，加装喉部直径为2 mm，喉部长度分别为10 mm、20 mm和30 mm的预剪切管在喷射压力为1.00 MPa下进行雾化实验。图5为加装不同喉部长度的预剪切管雾化后液滴速度分布矢量图。由图可知，随着预剪切管喉部长度的增加，雾化撞击的核心区域速度减小，高速区域的面积减小。喉部长度从10mm变化到20 mm时液滴速度稍有下降，而从20 mm变化到30 mm时液滴速度整体大幅下降。

图5 雾化后液滴速度分布随喉部长度变化

预剪切管喉部长度对雾化后液滴速度的影响可从两个方面考虑，随着预剪切管喉部长度增长，剪切作用的时间变长：一方面，液流流经喉部时能量损失增加；另一方面，凝胶汽油表观粘度下降，液滴撞击时的粘滞力减小，能量损失减小。从实验数据可以明显看出，第一方面因素占据了主导地位，雾化后液滴速度随喉部长度的增加总体上呈下降趋势。凝胶汽油的表观粘度下降到一定值时就趋于平稳，因此第二方面因素的补偿作用随着剪切时间的增长越来越不明显，从而导致随着喉部长度增长，液滴速度的整体降幅也增大。

3 结论

1)加装预剪切管对于凝胶汽油撞击式雾化特性的影响包括两方面：减小液滴粒径和降低液滴速度。其影响程度与喉部直径和长度这两个参量有关，调节这两个参量，尽可能减小雾化后液滴粒径，同时控制液滴速度损失，就能够改善凝胶汽油雾化效果。

2)减小预剪切管喉部直径能够增大剪切力，增加预剪切管喉部长度则能够增长剪切作用持续时间，这两种措施都能有效降低凝胶汽油雾化后液滴粒径，但又一定程度上造成液滴速度的减损。在喉部直径较小时，雾化后液滴粒径降幅和速度衰减都较大；在喉部长度较小时，雾化后液滴粒径降幅较大而速度衰减较小。

3)综合考虑各影响因素，在本实验所使用的雾化装置中，加装喉部直径为3～4 mm，喉部长度为10～20 mm的预剪切管既能有效减小雾化后液滴的粒径，又不至于造成液滴速度的大幅削减，最有利于改善凝胶汽油雾化效果。