CN107966529B - 一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统及方法，基于实验室测量的液滴速度、粒径和可加热控温的真实燃烧室涂层试片，模拟液滴撞壁的真实过程，通过高速摄影捕捉液滴撞壁后的发展情况，判断液滴破碎的临界韦伯数，并通过改变液滴入射韦伯数和试片温度，找到液滴发展情况随着入射韦伯数和试片温度变化的划分机制和数学模型，以指导离心式喷嘴设计，使液滴群在撞壁燃烧过程中落入到理想的机制范围内。

Description

一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统及方法，属于航天推进技术领域。
背景技术
离心式液体火箭发动机是空间双组元姿轨控发动机的一个重要类别，因其采用离心式喷注器作为推进剂雾化及混合的装置而得名。这种发动机具有较好的火焰维持能力，在较宽的混合比范围内都可以稳定点火，其天然的喷射均匀性使发动机具有非常好的点火安全性和工作可靠性。
离心式发动机借助离心式喷嘴的旋流作用使氧化剂和燃烧剂分别形成中空的雾化液锥，进入燃烧室内蒸发、掺混和燃烧。在燃烧室内，由喷嘴喷射出来的大部分液滴来不及蒸发便直接撞击到燃烧室壁面，与壁面作用产生反弹、飞溅、悬浮、铺展等一系列的行为，之后才会进一步的进行燃烧。燃烧的越充分，则发动机性能越高，但是也会导致材料承受温度过高的问题。所以，燃烧和冷却之间的平衡问题，是发动机设计需要解决的主要矛盾。
对于离心式发动机，其燃烧和冷却是相互关联耦合的。旋流雾化的液滴喷射出来以后，一部分液滴撞击壁面后，会附壁发展形成冷却液膜，而另一部分液滴在撞壁后将会进入燃烧室内快速的蒸发掺混并燃烧。所以，推进剂喷雾撞壁的情况一方面关系到发动机的冷却特性，另一方面决定了两种推进剂蒸气分布及掺混的状态，除了影响发动机性能之外，如果掺混不均容易在扩散燃烧过程中形成局部高温，反过来破坏液膜导致发动机工作温度升高，可靠性下降。
因此，首先需要合理量化冷却，液滴附壁量过多导致过量冷却，虽然可以有效降低壁面温度，但同时因为边区低氧混合而带来无效燃烧问题从而降低发动机性能；其次，需要实现高效掺混，通过壁面有效作用，能够使更多的燃料可以反弹、飞溅进入富氧中心区参与燃烧，可以有效提高发动机比冲。
目前，离心式发动机的研制，尤其是对于冷却效果的评估，主要是通过大量的试车试验进行测试，尤其对于液膜冷却缺乏机理基础研究的支撑，对影响冷却的各项因素考虑不够全面，难以建立起雾化参数、壁面状态与最终点火温度之间的相互关系，且验证成本很高，通常对如液滴撞壁后的速度、粒径和形态以及形成液膜的厚度、长度等信息数据无法获取，对于发动机进一步的优化缺乏明确的指导作用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统及方法，通过改变液滴入射韦伯数和试片温度，找到液滴发展情况随着入射韦伯数和试片温度变化的划分机制和数学模型。
本发明的技术解决方案是：
一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统，包括液滴发生器、燃烧室涂层试验样件、电加热底板、热电偶、温度控制器、上位机、高速摄影机、长焦显微镜头、同步信号装置以及频闪光源，温度控制器与电加热底板及热电偶连接，电加热底板放置于燃烧室涂层试验样件底部，对燃烧室涂层试验样件按照发动机点火实际状态进行加热，在燃烧室涂层试验样件侧面粘贴热电偶，对燃烧室涂层试验样件实时温度进行测量，温度控制器实时采集热电偶数据，并与系列目标温度进行比对，以控制电加热底板的通断电，使燃烧室涂层试验样件的温度与系列目标温度一致；
长焦显微镜头装入4000帧/秒以上的高速摄影机上，通过上位机对高速摄影机进行开关、视场选取以及对焦，并对最终生成的图像进行存储及处理；
同步频闪光源与高速摄影机通过同步信号装置进行连接，通过对同步信号装置的控制实现频闪光源和高速摄影设备的同步触发；
液滴发生器位于燃烧室涂层试验样件的正上方一定距离，使液滴的自由落体的末速度达到所需的系列速度。
通过液滴发生器生成所需系列直径的液滴，以模拟离心式喷嘴喷射出来的雾化液滴，通过液滴下落高度和粒径计算液滴的系列入射韦伯数。
通过所确定的燃烧室涂层试验样件的系列温度及液滴的系列入射韦伯数，确定测试的边界状态。
同步启动液滴发生器及同步信号装置，对液滴撞击燃烧室涂层试验样件及撞击后1-10S的液滴状态进行高速摄影并存储在上位机中，在上位机中对测试结果进行分析。
对液滴撞击后的状态按照铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅进行机制划分，以对撞击后液滴的飞溅角、速度、粒径进行数据统计建模。
燃烧室涂层包括通过挂浆法烧结而成的硅化物涂层或钽十钨涂层。
燃烧室涂层还包括通过电弧沉积+真空包渗方法制备的硅化钼涂层。
评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)电加热底板放置于燃烧室涂层试验样件底部，对燃烧室涂层试验样件按照发动机点火实际状态进行加热，在燃烧室涂层试验样件侧面粘贴热电偶，对燃烧室涂层试验样件实时温度进行测量；
(2)温度控制器与电加热底板及热电偶连接，温度控制器实时采集热电偶数据，并与系列目标温度进行比对，以控制电加热底板的通断电，使燃烧室涂层试验样件的温度与系列目标温度一致；
(3)长焦显微镜头装入4000帧/秒以上的高速摄影机上，通过上位机对高速摄影机进行开关、视场选取以及对焦，并将同步频闪光源与高速摄影机通过同步信号装置进行连接；
(4)将液滴发生器置于燃烧室涂层试验样件的正上方一定距离，使液滴的自由落体的末速度达到所需的系列速度，通过液滴发生器生成所需系列直径的液滴，以模拟离心式喷嘴喷射出来的雾化液滴，通过液滴下落高度和粒径计算液滴的系列入射韦伯数；
(5)同步启动液滴发生器及同步信号装置，对液滴撞击燃烧室涂层试验样件及撞击后1-10S的液滴状态进行高速摄影并存储在上位机中；
(6)在上位机中对测试结果进行分析，对液滴撞击后的状态按照铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅进行机制划分，以对撞击后液滴的飞溅角、速度、粒径进行数据统计建模，为液滴群整体撞壁的数值模拟提供理论模型，以指导离心式喷嘴设计，使液滴群在撞壁燃烧过程中落入到理想的机制范围内。
燃烧室涂层试验样件的温度范围为100℃-600℃。
系列目标温度包括液滴在一定压力下的沸点TB和液滴在涂层壁面上对应的莱登弗斯特温度TL。
实际测试过程中，将燃烧室涂层试验样件的温度T分别控制在T＜TB、TB＜T＜TL和T＞TL三种状态，从小到大依次在100-2000范围内增加入射韦伯数，通过图像分析，判定机制变化的临界点，以该点为临界韦伯数，作为机制划分的界面。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明基于实验室测量的液滴速度、粒径和可加热控温的真实燃烧室涂层试片，模拟液滴撞壁的真实过程，通过高速摄影捕捉液滴撞壁后的发展情况，判断液滴破碎的临界韦伯数，并通过改变液滴入射韦伯数和试片温度，找到液滴发展情况随着入射韦伯数和试片温度变化的划分机制和数学模型，以指导离心式喷嘴设计，使液滴群在撞壁燃烧过程中落入到理想的机制范围内；
(2)本发明克服现有对于离心式发动机液膜冷却设计和评估的空白，解决目前对于冷却效果评估依赖于发动机热试车的现状，提供一种实验室内的测试方法，可以模拟液滴与真实的涂层燃烧室壁面作用的状态，实现基于涂层燃烧室壁面形貌与液滴参数对于液膜冷却影响的定量测试。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明液滴发展划分机制图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试系统，如图1所示，包括液滴发生器、燃烧室涂层试验样件、电加热底板、热电偶、温度控制器、上位机、高速摄影机、长焦显微镜头、同步信号装置以及频闪光源，温度控制器与电加热底板及热电偶连接，电加热底板放置于燃烧室涂层试验样件底部，对燃烧室涂层试验样件按照发动机点火实际状态进行加热，在燃烧室涂层试验样件侧面粘贴热电偶，对燃烧室涂层试验样件实时温度进行测量，温度控制器实时采集热电偶数据，并与系列目标温度进行比对，以控制电加热底板的通断电，使燃烧室涂层试验样件的温度与系列目标温度一致；
长焦显微镜头装入4000帧/秒以上的高速摄影机上，通过上位机对高速摄影机进行开关、视场选取以及对焦，并对最终生成的图像进行存储及处理；
同步频闪光源与高速摄影机通过同步信号装置进行连接，通过对同步信号装置的控制实现频闪光源和高速摄影设备的同步触发；
液滴发生器位于燃烧室涂层试验样件的正上方一定距离，使液滴的自由落体的末速度达到所需的系列速度。
通过液滴发生器生成所需系列直径的液滴，以模拟离心式喷嘴喷射出来的雾化液滴，通过液滴下落高度和粒径计算液滴的系列入射韦伯数。
通过所确定的燃烧室涂层试验样件的系列温度及液滴的系列入射韦伯数，确定测试的边界状态。
同步启动液滴发生器及同步信号装置，对液滴撞击燃烧室涂层试验样件及撞击后1-10S的液滴状态进行高速摄影并存储在上位机中，在上位机中对测试结果进行分析。
对液滴撞击后的状态按照铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅进行机制划分，以对撞击后液滴的飞溅角、速度、粒径进行数据统计建模。
燃烧室涂层包括通过挂浆法烧结而成的硅化物涂层或钽十钨涂层。
燃烧室涂层还包括通过电弧沉积+真空包渗方法制备的硅化钼涂层。
评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)电加热底板放置于燃烧室涂层试验样件底部，对燃烧室涂层试验样件按照发动机点火实际状态进行加热，在燃烧室涂层试验样件侧面粘贴热电偶，对燃烧室涂层试验样件实时温度进行测量；
(2)温度控制器与电加热底板及热电偶连接，温度控制器实时采集热电偶数据，并与系列目标温度进行比对，以控制电加热底板的通断电，使燃烧室涂层试验样件的温度与系列目标温度一致；
(3)长焦显微镜头装入4000帧/秒以上的高速摄影机上，通过上位机对高速摄影机进行开关、视场选取以及对焦，并将同步频闪光源与高速摄影机通过同步信号装置进行连接；
(4)将液滴发生器置于燃烧室涂层试验样件的正上方一定距离，使液滴的自由落体的末速度达到所需的系列速度，通过液滴发生器生成所需系列直径的液滴，以模拟离心式喷嘴喷射出来的雾化液滴，通过液滴下落高度和粒径计算液滴的系列入射韦伯数；
(5)同步启动液滴发生器及同步信号装置，对液滴撞击燃烧室涂层试验样件及撞击后1-10S的液滴状态进行高速摄影并存储在上位机中；
(6)在上位机中对测试结果进行分析，对液滴撞击后的状态按照铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅进行机制划分，以对撞击后液滴的飞溅角、速度、粒径进行数据统计建模，为液滴群整体撞壁的数值模拟提供理论模型，以指导离心式喷嘴设计，使液滴群在撞壁燃烧过程中落入到理想的机制范围内。
燃烧室涂层试验样件的温度范围为100℃-600℃。
系列目标温度包括液滴在一定压力下的沸点TB和液滴在涂层壁面上对应的莱登弗斯特温度TL。
实际测试过程中，将燃烧室涂层试验样件的温度T分别控制在T＜TB、TB＜T＜TL和T＞TL三种状态，从小到大依次在100-2000范围内增加入射韦伯数，通过图像分析，判定机制变化的临界点，以该点为临界韦伯数，作为机制划分的界面。
如图2所示，纵坐标为液滴入射韦伯数，横坐标为壁面温度，TB和TL分别为当前压力条件下的沸点和在该壁面上对应的莱登弗斯特温度，实际测试过程中，将燃烧室涂层试验样件的温度T分别控制在T＜TB、TB＜T＜TL和T＞TL三种状态，从小到大依次在100-2000范围内增加入射韦伯数，通过图像分析，判定机制变化的临界点，以该点为临界韦伯数，作为机制划分的界面，进而确定机制划分图。
实际上，通过对离心式喷嘴雾化场的测量，确定实际发生雾化液滴的粒径和速度，从而判定其入射韦伯数的范围，与机制划分图进行对比，判定喷嘴喷射的液滴在撞壁后的行为模式，从而明确液滴铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅在整体液滴群中所占的比例，从而预测液滴冷却及燃烧的效果。
本发明将喷雾撞壁的完整模型从发动机整机中剥离出来，摆脱了依赖于高成本试车才能考核的冷却特性，尽量真实的还原了喷雾液滴的状态以及燃烧室壁面的形貌，通过壁面温度、入射韦伯数以及液滴撞壁后的运动行为，定量分析发动机的液滴撞壁发展机制，评价液膜冷却效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，包括液滴发生器、燃烧室涂层试验样件、电加热底板、热电偶、温度控制器、上位机、高速摄影机、长焦显微镜头、同步信号装置以及频闪光源，温度控制器与电加热底板及热电偶连接，具体步骤如下：
(1)电加热底板放置于燃烧室涂层试验样件底部，对燃烧室涂层试验样件按照发动机点火实际状态进行加热，在燃烧室涂层试验样件侧面粘贴热电偶，对燃烧室涂层试验样件实时温度进行测量；
(2)温度控制器与电加热底板及热电偶连接，温度控制器实时采集热电偶数据，并与系列目标温度进行比对，以控制电加热底板的通断电，使燃烧室涂层试验样件的温度与系列目标温度一致；
(3)长焦显微镜头装入4000帧/秒以上的高速摄影机上，通过上位机对高速摄影机进行开关、视场选取以及对焦，并将同步频闪光源与高速摄影机通过同步信号装置进行连接；
(4)将液滴发生器置于燃烧室涂层试验样件的正上方一定距离，使液滴的自由落体的末速度达到所需的系列速度，通过液滴发生器生成所需系列直径的液滴，以模拟离心式喷嘴喷射出来的雾化液滴，通过液滴下落高度和粒径计算液滴的系列入射韦伯数；
(5)同步启动液滴发生器及同步信号装置，对液滴撞击燃烧室涂层试验样件及撞击后1-10S的液滴状态进行高速摄影并存储在上位机中；
(6)在上位机中对测试结果进行分析，对液滴撞击后的状态按照铺展、液膜、破碎、悬浮、反弹及飞溅进行机制划分，以对撞击后液滴的飞溅角、速度、粒径进行数据统计建模，为液滴群整体撞壁的数值模拟提供理论模型，以指导离心式喷嘴设计，使液滴群在撞壁燃烧过程中落入到理想的机制范围内。
2.如权利要求1所述一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，通过所确定的燃烧室涂层试验样件的系列温度及液滴的系列入射韦伯数，确定测试的边界状态。
3.如权利要求1所述一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，燃烧室涂层包括通过挂浆法烧结而成的硅化物涂层或钽十钨涂层。
4.如权利要求1所述一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，燃烧室涂层包括通过电弧沉积+真空包渗方法制备的硅化钼涂层。
5.如权利要求1所述的一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，燃烧室涂层试验样件的温度范围为100℃-600℃。
6.如权利要求1所述的一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，其特征在于，系列目标温度包括液滴在一定压力下的沸点TB和液滴在涂层壁面上对应的莱登弗斯特温度TL。
7.如权利要求6所述的一种评估涂层燃烧室壁面对液膜冷却影响的测试方法，其特征在于，实际测试过程中，将燃烧室涂层试验样件的温度T分别控制在T＜TB、TB＜T＜TL和T＞TL三种状态，从小到大依次在100-2000范围内增加入射韦伯数，通过图像分析，判定机制变化的临界点，以该点为临界韦伯数，作为机制划分的界面。
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