厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

注气离心喷嘴喷注过程稳定性试验

为了解管路注气对补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴喷注过程稳定性的影响，在大气环境下开展了敞口型离心喷嘴注气时喷注过程稳定性试验。使用注气装置在离心喷嘴的上游供应管路中注入空气，通过高速相机记录管路内的两相流特征和喷嘴喷注过程的振荡特征，采用图像区域亮度分析方法定量评估喷注过程的振荡强度。研究发现：注气能显著改变敞口型离心喷嘴的喷注雾化过程及稳定性特征；注气后雾化液膜破碎距离缩短且喷雾角减小，喷注过程出现明显的振荡并伴随Klystron效应；管路内两相流的气泡尺度较大且切向孔较小时，喷注过程的振荡幅值较大；随着注气量增加，喷注过程的振荡频率降低；气泡尺度及两相流型对离心喷嘴喷注振荡过程的影响与普通气泡雾化喷嘴的显著不同，柱状流型时离心喷嘴喷注过程出现1~3 Hz流量振荡且可能间歇性断流。气泡对切向孔的间歇性堵塞作用可能是喷注过程振荡及Klystron效应的原因。     

结构参数对敞口型离心喷嘴动态特性的影响

为了研究敞口型离心喷嘴结构参数及工况参数对其动态特性的影响, 以RD120预燃室煤油喷嘴的大致结构尺寸为参考, 设计一组算例进行了计算.计算结果表明:敞口型喷嘴内的流量相对振幅会随振荡频率的增加而下降, 滞后相移随振荡频率的增大而单调增加.压降越大, 流量相对振幅越大, 相移越小.具有较大几何特性A和旋流腔长径比的敞口型离心喷嘴可以阻尼掉更多的流量振荡.敞口型喷嘴的滞后相移会随旋流腔长度的增大而线性增大, 据此可以调节切向入口的轴向间距来滤除某一频率的振荡.      

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。     

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。     

声学扰动对燃烧室声学特性的影响研究

针对利用旋转齿轮对燃烧过程施加高频声学扰动的方法,为获得其对同轴离心喷嘴燃烧室声学特性的影响,设计了一种带辅喷管的单喷嘴扁平燃烧室,分别在冷试和热试工况下研究了旋转齿轮声学扰动装置对燃烧室声学特性的影响。冷试中当扰动频率等于燃烧室某振型的特征频率时燃烧室内出现驻波特征振荡。热试重点关注了煤油蒸气/富氧空气燃烧过程对声学扰动的响应,改变扰动装置的位置可改变声压波节线的方向,实现推进剂喷入位置为声压波腹或声压波节。研究表明,一阶切向声学振荡对同轴离心喷嘴与声压波腹的相对位置敏感,煤油蒸气/富氧空气燃烧过程易受声压波动的影响,推测液氧煤油补燃循环发动机内的高频燃烧不稳定性可能易被声压波动激发。     

空气雾化喷嘴内液膜对雾化性能的作用

本文综合归纳数年来对空气雾化喷嘴内液膜厚度特性,液膜表面扰动波动态特性以及这些特性与雾化特性间的关系等方面的研究结果.着重指出在喷嘴唇口附近没有周期性的液流堆积现象,并且指出唇口液流堆积雾化论的问题所在.     

离心喷嘴脉冲工作动态特性实验研究

双组元推力器在短脉冲工况下比冲出现明显下降。为了从推进剂雾化角度研究其原因,搭建了离心喷嘴脉冲工作冷流实验平台,使用机械式脉动流量发生器使喷嘴工作在脉冲模式。实验中测量了离心喷嘴的动态压降和索太尔平均直径SMD随时间的振荡,并使用高速相机拍摄了喷雾场和喷嘴内部流动的瞬时照片。通过提取图像边界的方法测量了液膜锥角的变化,并计算了一个周期内不同大小SMD时间占比分布。瞬时照片和SMD的测量结果表明,脉冲工作的离心喷嘴在脉冲工作时会出现柱状射流或由调速管效应形成的厚液环,导致喷雾场出现较大液滴。喷雾锥角测量结果表明,脉冲结束后液膜并不随着压降下降而直接收缩,而是继续保持较大锥角一定时间。对SMD的分析表明,脉冲宽度越小,一个脉冲内非稳态喷雾时间占比越大,导致整个脉冲的雾化质量越差。根据本文研究结果,为了提高离心喷嘴窄脉宽工作时的雾化性能,需要尽可能消除柱状射流和调速管效应的影响。     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM）,获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。     

离心式喷嘴充填过程内部流动特性仿真

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴充填过程中的内部流动特性。研究了气液界面随时间的变化过程,发现了充填过程中气核收缩和旋转液膜的现象;通过提取气相体积分数等值线的方法计算了充填过程中喷嘴出口液膜厚度和喷雾锥角的变化。结果发现:液膜厚度随出口流量的增大而增大,出口喷雾锥角随出口流量的增大而减小;描述了喷嘴旋流室内的回流现象,分析了充填完成后的压力场和速度场分布,发现在压降和气液作用的共同影响下,中心气核轴向速度沿轴向先增后减。      

Numerical simulation of flow in swirl injector for power-law fluid

In order to investigate the flow characteristics of swirl injectors for gelled propellants, which actually behaved as non-Newtonian power-law fluid, a swirl axisymmetric model was established to solve Navier-Stokes equations and VOF (volume of fluid) equation, and the power-law constitutive equation was used to describe the rheology characteristics of the gelled propellants. The film thickness and velocity distribution in the swirl injector under different flow conditions were studied numerically. The simulation results show that the increased geometry characteristic parameter of the swirl injector contributes to the decrease of liquid film thickness. The liquid film thickness is almost independent of the pressure drop. The rheologic parameters have great influences on the inner flow of swirl injector: by increasing the fluid consistency index K and power index n, both the axial and the swirl velocities decrease dramatically; higher fluid consistency index K and power index n make the liquid film thickness increase. When the viscosity is large enough, the air core in the injector would vanish.      

压力振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究供应系统振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了供应系统有/无振荡两种情况下离心式喷嘴的喷雾形态,以及供应系统有/无振荡两种情况下气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态。发现当离心式喷嘴供应系统振荡时,离心式喷嘴产生的锥形液膜也周期性地振荡,同时出现Klystron效应。液膜周期性振荡以及Klystron效应出现的频率与供应系统振荡频率一致。Klystron效应的出现使得喷雾锥角突然减小,锥形液膜发生折叠。供应系统振荡对自激振荡喷雾形态也有显著影响。供应系统振荡引起的Klystron效应使得液膜锥角减小,从而造成"圣诞树"型自激振荡喷雾上的"树枝"增多,同时自激振荡频率增加。这是因为当速度大的液膜追上速度小的液膜时,就会产生Klystron效应并使液膜速度增加。而液膜运动速度越大自激振荡频率也就越大。虽然在供应系统中施加激励没有发生"锁频"现象,但是自激振荡的强度在一定程度上减弱,并且伴随着自激振荡的"分频"现象,即自激振荡频率从一个主频向两侧分化为两个主频。     

敞口型离心喷嘴动力学特性理论分析

1引言敞口型离心喷嘴,图1(a),广泛应用于液氧/煤油液体火箭发动机中,如俄罗斯的液体火箭发动机RD120和RD170[1]。在稳态工况下,相对于收口型离心喷嘴,图1(b),敞口型离心喷嘴在雾化质量方面并没有明显的优势,甚至差于收口型离心喷嘴[2,3]。Ba-zarov认为敞口型喷嘴除了起到喷雾和     

基于VOF方法分析离心式喷嘴结构参数对性能影响

基于两相界面追踪流体体积(volume of fluid,简称VOF)方法模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,在数值方法可靠性验证基础上,得到了15个喷嘴构型的流量系数、液膜厚度以及雾化锥角.定义无量纲影响因子η,比较喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响程度.除了喷嘴直径和旋流室直径外,重点研究了出口扩张角、等直段长径比等结构参数的影响,通过与试验相对比,综合以往经验公式,得到如下结论:增大旋流室长度,能够增大雾化锥角;在喷嘴出口增加扩张角,能够显著地减小液膜厚度,减小雾化锥角;增大切向口距喷嘴顶部距离,能够改善喷嘴性能;切向口个数和等直段长度对喷嘴性能影响不大.该工作为下一步优化喷嘴构型打下了基础.      

汽油液膜喷射和圆喷射雾化过程的PIV测量对比研究

利用PIV设备,在相同喷射压力和不同喷射脉冲下对分属液膜射流和圆形射流两种理论喷射类型的典型喷油器-涡旋喷孔和双喷孔喷油器的汽油雾化性能进行对比研究。研究表明：涡旋射流的油锥前锋以及外缘部分的油膜破碎均匀且雾化效果较好;双孔射流的雾化油滴粒子都集中分布在喷射中心线上,且油膜连接比较完整,雾化效果较差。涡旋射流雾化粒子的速度场分布比较膨胀和发散,而双孔射流的雾化粒子集中分布在中心线上（与浓度分布规律一致）;相同时刻,双孔射流雾化粒子的速度绝对值最大值均明显大于涡旋喷孔。针对两种喷嘴都存在：喷射过程中越靠近喷嘴出口处的区域速度绝对值越大,而停喷后,高速区都集中在喷雾的前锋;在一定的喷射压力下,喷射结束时的贯穿距离与喷射脉宽基本呈正比关系。