高反压下喷嘴雾化特性的理论探讨

 本文对高反压下正压力指数的喷嘴雾化特性的可能原因进行探讨。试验技术上采用高压封闭容器,引起小液滴回流会造成液雾测量上畸变。从机理上,本文提出两个因素:对空气雾化喷嘴,由强紊流脉动与液滴簇的相互作用可能引起不同尺寸液滴碰撞而凝聚;对压力雾化喷嘴,可能由于高反压下液体微团速度迅速衰减而使决定最终雾化生成的气动作用力比低反压时为小的情况出现,本文详细分析了后者情况,证明通常文献及书中普遍叙述“高反压下促进雾化的气动作用力增大”的论点,并不完全正确。     

喷嘴供油特性对双涡流器头部气动雾化效果的影响研究

本文针对双级轴向涡流器和双油路离心喷嘴组合的气动雾化头部装置，通过试验研究了喷嘴主、副油路分别在不同供油压力下供油．形成的不同喷嘴一次雾化质量对头部气动雾化效果的影响，研究结果表明：喷嘴一次雾化质量对双涡流器头部的气动雾化效果影响较大。在一定的头部气动参数条件下，较高的供油压力形成较好的一次雾化质量．气动雾化的作用不明显；较低的供油压力形成较差的一次雾化质量，在气动力作用下能够得到较好的气动雾化效果．燃油雾化良好。这也表明在双涡流器气动雾化火焰筒头部装置中，喷嘴供油特性和头部气动参数之间进行合理匹配对保证和提高燃烧室各状态的综合燃烧性能是很重要的。本研究还验证了双涡流器气动雾化头部采用双路离心喷嘴供油的设计特点。     

内混式气动喷嘴的雾化特性研究

本文应用 Malvern激光测雾仪研究了新型重油内混式气动喷嘴的雾化特性 ,即雾化气压力、供油压力与气液比等参数对燃料的雾化与喷雾锥角的影响 ,并与现普遍采用的“Y”型内混式气动喷嘴进行了比较。试验结果表明 ,新型气动喷嘴的性能优于“Y”型喷嘴     

高反压环境中空气雾化喷嘴的雾化性能

使用美国Ｐｕｒｄｕｅ大学“热力科学及推进研究中心”的高反压喷嘴试验设备，试验研究了空气雾化喷嘴在高反压环境中的雾化性能，试验中对一种典型空气雾化喷嘴，使用粘度分别为０．００１，０．０５０和０．１００Ｐａ．ｓ的三种液体，在０．１－１．８ＭＰａ反压范围内，用Ｍａｌｖｅｒｎ粒度分析仪，测量了喷雾的液滴平均直径及液滴尺寸分布。试验结果表明，在试验的环境压力和液体粘度范围内，提高喷嘴的气液比总是起着改善雾化     

喷嘴形式对幂律型非牛顿推进剂雾化特性的影响

为寻求幂律型非牛顿推进剂有效的雾化喷嘴形式,采用与该推进剂流变特性基本一致的水基模拟液对直流式喷嘴、撞击式喷嘴、剪切撞击式气动雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴和离心式喷嘴进行了雾化特性实验,比较了喷嘴形式及其结构参数对雾化特性的影响.结果表明:撞击式喷嘴是一种有效的雾化形式,撞击角度和射流速度是主要影响参数;气泡雾化喷嘴是一种高效的雾化方法,在约为4%的气液比下使水基模拟液破碎并产生液滴.      

喷嘴技术的发展

本对除了航空燃气轮机主燃烧室的燃油喷雾装置以外的各工业界是所用的喷嘴技术发展作概括综述。运有高速（音速或超音速）气流来雾化高粘性，易凝，磨损性液体以及形成超细喷雾是各工业界喷雾技术发展的共同点之一。雾化技术必须与喷雾散布技术结合才能达到工业装置对喷雾的全面要求。非常小流量的喷嘴与非常大流量的喷流的技术发展仍是喷雾技术上的难点，高反压下的喷雾技术研究很少，极待发展。     

离心式喷嘴在小尺度受限空间雾化特性的实验研究

为了了解小尺度受限空间中离心式喷嘴的雾化特性,设计了四旋流槽离心式喷嘴和小尺度模拟燃烧室,采用相位多普勒粒子动态分析仪(PDA),观测了喷射压力对模拟燃烧室内雾化性能的影响.引入离散系数cv对喷雾场雾化参数的周向分布规律进行了着重分析.结果表明:模拟燃烧室内,喷射压力越大,液滴索特尔平均直径D32的值越小;在z∈[41.5,94.2]的轴向距离范围内,喷射压力对Vz的影响不明显.由于壁面作用,液滴D32的周向分布均匀性随着径向距离的增加变差;距离喷嘴出口越远处,液滴D32的周向分布均匀性越好.在喷射压力相同条件下,同一喷嘴在模拟燃烧室内雾化参数的周向分布均匀性比在大气环境中波动更大.     

相邻离心式喷嘴液膜撞击雾化过程仿真

基于Gerris软件建立的锥形液膜雾化破碎过程数值仿真方法,对相邻多个离心式喷嘴液膜撞击雾化过程进行了数值仿真,可视化展示了喷雾场三维形态和结构特征,并做了流场分析,讨论了喷嘴之间的相互干扰作用,获得了液滴空间分布,对相邻不同数目的喷嘴雾化效果进行了比较。结果表明:双喷嘴液膜撞击会形成一个类似互击式射流撞击形成的扇形区域,但又与其不同;锥形液膜的撞击效果主要依赖径向速度而不是切向速度,液滴平均粒径与撞击液膜间的旋向几乎无关。多喷嘴液膜撞击会使得液滴空间分布发生大的变化,液膜破碎长度会缩短。多喷嘴液膜撞击后的雾化特性是否改善与单喷嘴原先的雾化特性以及喷嘴间的距离密切相关。对于文中特定的喷嘴结构、喷嘴间距及排列方式,双喷嘴的液滴SMD均比单喷嘴的增大约4.8%~6.1%;四喷嘴的液滴SMD比单喷嘴的增大约7.3%,比双喷嘴的增大约2.4%。     

多级旋流空气雾化喷嘴高空气动雾化场的数值研究

为有效拓宽采用预膜式空气雾化喷嘴的多旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了高原及高空工况下气动雾化场的数值研究,采用经过实验验证的数值模拟方法获取了多旋流分级燃烧室的高空气动场和雾化场,分析了低温、低压进口条件对燃烧室流场结构和雾化质量的影响。结果表明:低温及低压进口工况对中心回流区的结构及尺度、速度分布影响较小,但低温会削弱旋流器出口湍动能强度,低压会显著降低旋流空气切向剪切力。相同旋流器压降下,低温、低压条件会造成气液比和韦伯数的降低,导致雾化粒径增大,液滴群轴向穿透深度增加。相关研究结论能够解释该类燃烧室高空点火困难的影响机制。      

燃烧室压力对空气雾化喷嘴雾化性能的影响

对某发动机上的空气雾化喷嘴进行了实验研究, 以探讨燃烧室压力对空气雾化喷嘴性能的影响。实践证实本文研究结果对高压下空气雾化喷嘴的设计做了有益的探索。      

空气助力式喷嘴雾化实验及仿真

用马尔文激光粒度测试仪对自行设计的气动雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究,测量了不同工况下喷雾流场的液滴粒径.根据实验结果,分析了水压、气压、气液比等因素对液滴粒径和均匀性的影响,讨论了液滴粒径随距喷口轴向距离增加的变化规律.最后,利用Fluent软件对喷雾外流场进行了三维数值仿真,其结果与实验结果吻合较好,验证了仿真方法的可行性.     

燃油温度对离心式喷嘴雾化性能影响

以离心式压力雾化喷嘴为研究对象,对不同压力下燃油温度对航空煤油雾化特性的影响进行了实验测试和数值模拟研究,获得了燃油在喷嘴内的流动特性及温度、压力对燃油雾化特性参数的影响规律。实验研究了燃油温度变化范围在-20 ℃至50 ℃的雾化特性,数值模拟对燃油温度在-50 ℃至50 ℃范围内喷嘴内燃油的流动特性及燃油的雾化特性进行了数值模拟。结果表明:燃油压力对雾化特性影响不大;在所研究的温度范围内,温度增加会导致雾化角增大、索太尔平均直径（SMD）减小、周向分布不均匀性增大,在-20 ℃升至50 ℃时SMD由45 μm降低到30 μm;油膜厚度会随燃油温度的降低而增厚,有利于提高燃油周向分布均匀性,但会导致雾化液滴直径增大。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

主燃级喷嘴和燃油分级后雾化特性实验研究(“两机”专刊)

为优化高温升主燃烧室燃烧性能,对三级旋流主燃烧室开展雾化特性试验研究。预燃级喷嘴采用离心喷嘴压力雾化和气动雾化相结合,主燃级采用预膜式气动雾化。试验采用相位多普勒粒子分析仪对主预燃级喷嘴和燃油分级后的雾化特性进行研究,对比分析了不同头部压降和燃油流量在不同轴向截面和径向位置的液滴粒径分布,并利用高速摄像对不同工况下的喷雾形态进行了记录。试验结果表明：主燃级油雾粒径为50~80μm,气液比达到3.5即可达到良好的雾化水平。随着轴向距离延长,喷雾粒径变大,喷雾浓度变得均匀。燃油分级比增加可降低整体粒径约10μm,且主要影响中心区域,对雾锥外侧粒径影响不大。     

气/液同轴离心式喷嘴流量及雾化特性实验

通过实验方法，研究气／液同轴离心式喷嘴的流量特性及气液之间的相互影响，研究压降及缩进长度对喷嘴雾化特征的影响。研究表明，液喷嘴流量受气喷嘴压降影响，流量增大或减小取决于缩进室内气喷嘴对液喷嘴产生的是引射还是堵塞作用；同一喷嘴，液膜破碎长度及液滴尺寸随压降增大而减小；液滴尺寸分布沿喷嘴横截面呈马鞍型分布，曲线的最高点和分布宽度随喷嘴几何特性及压降变化；提高气／液之间的相对运动速度，可提高雾化质量；随着缩进长度增大，雾化质量明显变好。     

某重型燃气轮机压力雾化喷嘴性能试验研究

研究了某重型燃气轮机燃油喷嘴特性。通过全面试验,得到了该喷嘴组的供油特性、喷雾锥角的变化特点和液滴尺寸及其分布规律;对雾化粒度试验数据进行了拟合,得到了SMD与供油压力的简明关系,基本可以代表该喷嘴组的雾化质量。     

气流紊流脉动对气动喷嘴雾化影响的实验研究

对气动喷嘴下游雾场及脉动速度场进行了实验研究。实验中，采用一组结构大致相同但具有不同气流脉动强度的气动喷嘴作为试件，利用PDA（粒子动态分析仪）等测试仪器对试件出口后的两相流场进行了测量。结果表明强化气流紊流脉动对气动喷嘴的雾化有好处，使其雾化颗粒直径变小。     

周期性供油气助雾化直喷喷嘴雾化特性试验

对一种典型的周期性供油气助雾化直喷喷嘴的雾化特性进行试验研究,分析总结了喷油脉宽、间隔时间、喷气脉宽以及空气压力对雾化性能的影响规律.试验中使用RP-3航空煤油作用工质,使用压缩空气作为介质;用激光粒度分析仪对油雾场进行测量并进行处理分析;喷油脉宽与喷气脉宽变化范围为2～8ms,间隔时间为-2～5ms,空气压力为0.1～0.65MPa.研究结果表明:随着气油比的增加,索太尔平均直径减小,均匀程度增加,雾化性能提高;增加空气压力,可以使空气密度增加,加大空气与燃油的气动作用力,有利于雾化性能的提高;增加间隔时间也可使雾化性能有小幅度的提升;在较大的平均粒径下,更加分散的粒径分布仍然可以具有较大的均匀度分布指数.对试验数据进行分析,在较高空气压力下,得到了该周期性供油气助雾化直喷喷嘴的平均粒径的经验计算模型.      

周期供油气动雾化喷嘴喷雾特性试验研究

为满足小型无人机用活塞发动机对航空煤油雾化效果的要求,设计了某新型气动雾化喷嘴并进行了雾化性能试验研究。该喷嘴的结构主要由电磁直射喷嘴、气一液混合室和空气喷嘴3部分组成。试验分别对电磁直射喷嘴和空气喷嘴进行了流量标定,研究了喷油脉宽t1、时间延时t2、喷气脉宽t3和喷气压力对燃油雾化性能的影响,得出喷油脉宽减小、喷气脉宽增加、喷气压力增大均可提高雾化质量,最佳值处于t1=2ms,t2=1ms,t3=5ms时,此时DSH〈10um。     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。