CN109826724B - 等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法 - Google Patents

Abstract

等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，涉及非牛顿流体喷射雾化技术领域，该雾化方法中包括喷嘴本体、激励电源、高压电极和接地电极；喷嘴本体的内部设有内部腔体和外侧腔体；该雾化方法包括以下步骤：接通激励电源，打开气泵，气泵分别向内部腔体和外侧腔体通入气体，当外侧腔体中通入的气体经过高压电极和接地电极形成的电场时，产生等离子体，等离子体吸收大量能量从而形成高速喷射的等离子体射流并从外侧腔体的出口处喷出；内部腔体内的凝胶推进剂受气泵压强的作用，经出口处流出并与高速射出的等离子体接触，从而促使凝胶喷射雾化，本发明可有效提高凝胶推进剂的雾化效果，从而提高燃料的掺混和燃烧效率。

Description

等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法

技术领域

本发明涉及非牛顿流体喷射雾化技术领域，尤其涉及等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法。

背景技术

凝胶推进剂是用少量胶凝剂将一定量的液体组分凝胶化，同时添加一定量固体燃料悬浮于体系中，形成具有一定结构和特定性能，并能长期保持稳定的凝胶体系，它同时兼有固体推进剂和液体推进剂的优点，是一种航空航天推进系统的新型推进剂，可用于反导弹武器和航天性行器，也可用于石油开采等。凝胶推进剂的雾化主要应用于液体火箭发动机中，其雾化效果直接影响燃料最终的掺混及燃烧效率。

本发明中所提到的凝胶推进剂为非牛顿流体。非牛顿流体是指粘性切应力与剪切变形率不成线性正比关系的液体。牛顿流体则是指粘性切应力与剪切变形率成线性正比关系的液体。非牛顿流体分为剪切稀化型和剪切增稠型。剪切稀化是指非牛顿液体随着剪切率升高，其黏度减少。而剪切增稠型则是在非牛顿流体中表现为粘度随剪切速率的增大而增大的现象。在剪切增稠时有时还伴随有体积胀大。

决定凝胶推进剂的雾化模式有很多，如采用何种凝胶推进剂、是否添加金属或非金属颗粒、射流速度和剪切方式等。传统凝胶推进剂的雾化方法包括双股撞击式、三股撞击气动式、同轴离心式、脉动式喷注器等，但上述方法并不能使凝胶体进行有效地雾化，而且在雾化后破碎成液滴也很难达到期望的尺寸大小。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，采用的凝胶推进剂为剪切稀化的非牛顿流体，利用凝胶推进剂受到剪切力时粘度下降的特性，采用等离子体促使凝胶推进剂喷射雾化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，该雾化方法中包括喷嘴本体、激励电源、高压电极和接地电极；喷嘴本体的内部设有内部腔体，内部腔体内存储有凝胶推进剂，内部腔体的外周环设有挡板，挡板和喷嘴本体之间形成有外侧腔体；内部腔体和外侧腔体的顶部分别连接有气泵，内部腔体和外侧腔体的底部分别开设有相对应连通的出口；高压电极和接地电极相对地设于外侧腔体的下部，高压电极和激励电源的的正极连接，接地电极和激励电源的负极连接；该雾化方法包括以下步骤：接通激励电源，打开气泵，气泵分别向内部腔体和外侧腔体通入气体，当外侧腔体中通入的气体经过高压电极和接地电极形成的电场时，产生等离子体，等离子体吸收大量能量从而形成高速喷射的等离子体射流并从外侧腔体的出口处喷出；内部腔体内的凝胶推进剂受气泵压强的作用，经出口处流出并与高速射出的等离子体接触，从而促使凝胶喷射雾化。

所述内部腔体为从上到下的渐缩式结构；所述内部腔体的顶部设有第一气体通道，第一气体通道用于连接外部的气泵；外侧腔体的顶部开设有用于连接外部气泵的第二气体通道，第二气体通道处设有补气单向阀；当气泵向外侧腔体通气时，补气单向阀打开，使气体通入到外侧腔体内，当外侧腔体的气压过高，补气单向阀关闭。

所述补气单向阀设于外侧腔体内且与外侧腔体之间具有间隙，补气单向阀包括阀本体和两组弹簧；所述阀本体的两端设有导向柱，阀本体的中部凸出设有封堵部，所述外侧腔体的顶部内壁设有两组固定杆，且固定杆相对导向柱设置；所述弹簧的两端分别套设于导向柱和固定杆上；其中，弹簧上下伸缩，以使阀体移动带动封堵部开启或关闭第二气体通道。

所述接地电极为环状电极，接地电极环设于挡板下部的外侧；所述高压电极为针状电极，高压电极设有至少1个，高压电极相对应接地电极等距离均布于喷嘴本体上，高压电极与接地电极的距离为10～20mm。本发明中，所述高压电极设有6个。

所述喷嘴本体为绝缘材料制成的喷嘴本体；所述喷嘴本体的下部为锥形结构。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明包含两个腔体，内部腔体和外侧腔体，两个腔体之间采用挡板隔开；内部腔体用于存储凝胶推进剂，外部腔体为气体流动通道以及用于存储气泵流过的气体并为产生等离子体提供场所。

2、本发明在外侧腔体的顶部设有补气单向阀，当高速等离子体瞬间喷出，会使外侧腔体的内部产生负压，从而造成外部气体乘虚流入，补气单向阀可以防止气流回流；当外侧腔体的压力过高时，补气单向阀自关闭，使得腔体内部能量只能由喷嘴射出，防止回流。

3、本发明在气体流动的通道出口处设有连接激励电源的高压电极及接地电极，以产生激励电压产生高速射流的等离子体，产生的高速等离子体对凝胶推进剂进行剪切，在等离子体的剪切作用下，凝胶推进剂逐渐稀化并随射流喷出，拉长形成液膜，进而破碎成液丝，并产生所期望尺寸的液滴，最终实现等离子体增强凝胶推进剂的喷射雾化的目的。

4、由于凝胶推进剂与普通推进剂相比，具有高粘度和流变特性，因此常规的雾化方法和喷嘴用于凝胶推进剂雾化的效果并不好。传统的采用撞击式喷嘴对凝胶推进剂进行剪切，其促进雾化作用并不理想；而本发明中利用等离子体来增强凝胶推进剂的雾化，凝胶推进剂受到等离子体的作用后粘性逐渐下降，在喷嘴出口处逐渐被拉长，并形成液膜、液丝和液滴，而大量的等离子体也随之射出。等离子体均匀地分布于液膜、液丝与液滴中，由于同种电荷间相互排斥的作用，液膜在电荷作用下逐渐破碎成液丝，进而扩散成液滴，促进凝胶推进剂雾化，对推进剂的燃烧效率产生促进作用，从而提高推进剂的能量性能。

5、等离子体在放电时能够释放大量的热量，凝胶推进剂在温度较高的情况下粘度下降，能较快的稀化拉伸为液膜；而等离子体与凝胶粒子的碰撞频率也相对较高，因此在相同情况下，利用等离子体对凝胶推进剂的雾化作用要比空气好，可有效改善凝胶推进剂难以雾化的的缺点，提高燃料的掺混和燃烧效率。

附图说明

图1为等离子体增强的凝胶推进剂雾化喷嘴的结构示意图；

图2为图1中的A部放大示意图；

图3为本发明产生等离子体的示意图；

图4为本发明凝胶推进剂喷射雾化的示意图。

附图标记：喷嘴本体1，内部腔体2，外侧腔体3，挡板4，激励电源5，接地电极6，高压电极7，补气单向阀8，凝胶推进剂9，等离子体10，液膜11，液丝12，液滴13，固定杆11，第一气体通道21，第一出口22，第二气体通道31，第二出口32，阀体81，弹簧82，导向柱811，封堵部812。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～3所示，等离子体增强的凝胶推进剂雾化喷嘴包括喷嘴本体1、激励电源5、高压电极7和接地电极6。

所述喷嘴本体1为绝缘材料制成的喷嘴本体1；喷嘴本体1的下部为锥形结构。

喷嘴本体1的内部设有内部腔体2，所述内部腔体2的外周环设有挡板4，所述挡板4和喷嘴本体1之间形成有外侧腔体3，挡板4用于隔绝内部腔体2和外侧腔体3；所述内部腔体2为从上到下的渐缩式结构，内部腔体2用于存储凝胶推进剂9；外侧腔体3用于存储气体并为产生等离子体10提供场所。

内部腔体2的顶部设有第一气体通道21，第一气体通道21用于连接外部的气泵，内部腔体2的底部开设有第一出口22。

外侧腔体3的顶部开设有用于连接外部气泵的第二气体通道31，第二气体通道31处设有补气单向阀8；所述外侧腔体3的底部设有第二出口32，所述第二出口32与第一出口22上下对应连通。

所述高压电极7和接地电极6相对地设于外侧腔体3的下部，高压电极7和激励电源5的正极连接，接地电极6和激励电源5的负极连接。所述激励电源5为高压电极7和接地电极6提供激励电压；激励电源5、高压电极7和接地电极6共同构成等离子体10激励器。

所述接地电极6为环状电极，接地电极6环设于挡板4下部的外侧；所述高压电极7为针状电极，高压电极7设有6个，高压电极7相对应接地电极6等距离均布于喷嘴本体1上。

所述高压电极7与接地电极6的距离为10～20mm，其具体距离可根据实际需要所调整。

本实施例中，高压电极7所用材料为直径为0.3mm的针状铜丝；接地电极6采用直径为0.3mm的环状铜丝，接地电极6连接激励电源5负极的导线置于挡板4内，以连接产生电压差进而生成等离子体10。

如图2所示，所述补气单向阀8设于外侧腔体3内且与外侧腔体3之间具有间隙，补气单向阀8包括阀体81和两组弹簧82；所述阀体81的两端设有导向柱811，阀体81的中部凸出设有封堵部812，所述封堵部812用于开启或封堵第二气体通道31，所述外侧腔体3的顶部内壁设有两组固定杆11，且固定杆11相对导向柱811设置；所述弹簧82的两端分别套设于导向柱811和固定杆11上；其中，弹簧82上下伸缩，以使阀体81移动带动封堵部812开启或关闭第二气体通道31，由于补气单向阀8与外侧腔体3具有间隙，在第二气体通道31开启时，气泵的气体经第二气体通道31和间隙流入到外侧腔体3内。

补气单向阀8的工作原理如下：

当气泵往外侧腔体3通气时，补气单向阀8上的弹簧82伸长，补气单向阀8打开，使气体进入外侧腔体3，为产生等离子体10提供气体；当等离子体10生成后迅速射出，造成外侧腔体3形成负压，空气回流入外侧腔体3，此时若内部压力过低，补气单向阀8仍处于打开状态，则该过程中仍会持续通入空气，以缩短补气过程；若压力过高，补气单向阀8上的弹簧82受到挤压，补气单向阀8关闭，一方面防止回流，另一方面使外侧腔体3的内部能量只能由第二出口32射出。

等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法如下：

接通激励电源5，打开气泵，气泵通过第一气体通道21和第二气体通道31分别向内部腔体2和外侧腔体3通入气体，当外侧腔体3中通入的气体经过高压电极7和接地电极6形成的电场时，空气被电离成大量的等离子体10，所生成的等离子体10吸收大量能量并以高速射流的形式从外侧腔体3的第二出口32处射出；内部腔体2内的凝胶推进剂9受气泵压强的作用，当气泵通气时，内部腔体2的气压增大，凝胶推进剂9受到压力作用流向第一出口22和第二出口32处，并与高速射出的等离子体10接触，从而促使凝胶推进剂9喷射雾化。

在实际应用中，为了获得高速的等离子体10，可以通过增大空气入流速度和缩短电极间距来获得。其中，若在同种空气入流速度相同下，缩短电极间距，则会产生速度较快的等离子体，但其射流密度下降。若增大空气入流速度，电极间距保持不变，则会产生射流速度较快且密度较大的等离子体。

图3为产生等离子体10的示意图。当激励电源5接通，气泵打开时，高压电极7与接地电极6通过激励电源5提供的激励电压产生等离子体10并且吸收大量的能量，从而形成高速喷射的等离子体10射流。等离子体10放电后能为周围提供大量的热量，促使温度上升，此时等离子体10与凝胶推进剂9内部的活性粒子的浓度相对较高，故碰撞频率也有所提高，能获得更高质量的雾化性能。

图4为凝胶喷射雾化的示意图。当大量的等离子体10产生并获得大量能量时，等离子体10快速向第二出口32喷出，与在第二出口32的凝胶推进剂9接触，对其产生剪切并随之喷出喷嘴，均匀分散于凝胶推进剂9中。由于凝胶推进剂9为剪切稀化的非牛顿流体，受到等离子体10的作用后，其粘性逐渐下降，凝胶推进剂9逐渐被拉长，并形成液膜11、液丝12和液滴13，主要表现为凝胶推进剂9逐渐被拉长并逐渐形成薄层的液膜11，在液膜11的破碎过程中伴有液丝12与边缘分离、液丝12向液滴13的转变等现象。等离子体10均匀地分布于液膜11、液丝12与液滴13中，由于同种电荷间相互排斥的作用，液膜11在电荷作用下逐渐破碎成液丝12，进而扩散成液滴13，促进凝胶推进剂9雾化，对推进剂的燃烧效率产生促进作用，从而提高了凝胶推进剂9的能量性能。

上述工作过程中，当等离子体10射流瞬间射出时，外侧腔体3产生负压，此时外部气体会乘虚进入外侧腔体3，但若只依靠射流出口(即第二出口)进行吸气复原，则会由于复原气量不足而造成射流不连续，射流速度下降。因此本发明在外侧腔体3的顶部设置补气单向阀8，在运行过程中持续通入空气，以缩短补气过程，改善射流的连续性以获得质量更高的合成射流。当外侧腔体3压力过高时，补气单向阀8自动关闭，使得外侧腔体3内部的能量只能由第二出口32射出，防止回流。当等离子体10射流喷出后，外侧腔体3的内部压力下降，补气单向阀8打开为外侧腔体3补气。

本发明利用高速喷出的等离子体10对剪切稀化非牛顿流体凝胶推进剂9进行剪切，增强凝胶推进剂9的喷射雾化作用。

Claims (8)

1.等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：该雾化方法中包括喷嘴本体、激励电源、高压电极和接地电极；喷嘴本体的内部设有内部腔体，所述内部腔体为从上到下的渐缩式结构，内部腔体内存储有凝胶推进剂，内部腔体的外周环设有挡板，挡板和喷嘴本体之间形成有外侧腔体；内部腔体和外侧腔体的顶部分别连接有气泵，内部腔体和外侧腔体的底部分别开设有相对应连通的出口；高压电极和接地电极相对地设于外侧腔体的下部，高压电极和激励电源的的正极连接，接地电极和激励电源的负极连接；该雾化方法包括以下步骤：接通激励电源，打开气泵，气泵分别向内部腔体和外侧腔体通入气体，当外侧腔体中通入的气体经过高压电极和接地电极形成的电场时，产生等离子体，等离子体吸收大量能量从而形成高速喷射的等离子体射流并从外侧腔体的出口处喷出；内部腔体内的凝胶推进剂受气泵压强的作用，经出口处流出并与高速射出的等离子体接触，从而促使凝胶喷射雾化。

2.如权利要求1所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：内部腔体的顶部设有第一气体通道，第一气体通道用于连接外部的气泵；外侧腔体的顶部开设有用于连接外部气泵的第二气体通道，第二气体通道处设有补气单向阀；当气泵向外侧腔体通气时，补气单向阀打开，使气体通入到外侧腔体内，当外侧腔体的气压过高，补气单向阀关闭。

3.如权利要求2所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述补气单向阀设于外侧腔体内且与外侧腔体之间具有间隙，补气单向阀包括阀本体和两组弹簧；所述阀本体的两端设有导向柱，阀本体的中部凸出设有封堵部，所述外侧腔体的顶部内壁设有两组固定杆，且固定杆相对导向柱设置；所述弹簧的两端分别套设于导向柱和固定杆上；其中，弹簧上下伸缩，以使阀体移动带动封堵部开启或关闭第二气体通道。

4.如权利要求1所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述接地电极为环状电极，接地电极环设于挡板下部的外侧；所述高压电极为针状电极，高压电极设有至少1个，高压电极相对应接地电极等距离均布于喷嘴本体上。

5.如权利要求4所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述高压电极设有6个。

6.如权利要求1所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述高压电极与接地电极的距离为10～20mm。

7.如权利要求1所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述喷嘴本体为绝缘材料制成的喷嘴本体。

8.如权利要求1所述的等离子体增强的凝胶推进剂雾化方法，其特征在于：所述喷嘴本体的下部为锥形结构。

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