喷射压力对同轴旋转射流喷雾锥角影响的实验研究

为了研究同轴旋转射流喷雾锥角的变化规律,设计了喷雾实验装置和同轴旋流喷注器。采用水和乙醇分别代替氧化剂和燃料,利用高速摄影系统对喷雾过程进行观测,分析不同喷射压力下喷雾锥角的变化规律。实验结果表明:内外两路同时喷雾时,喷雾锥角随着外路喷射压力的增加而增大,锥角值从81.6°增加至102.3°;但内路喷射压力增加后,喷雾锥角反而减小,从102.5°降低到94.8°。这个变化规律与单路旋流喷嘴的情况有所不同。将实验结果与通过动量定理推导出的理论公式进行对比,发现喷射压力小于0.2MPa时,实验值与理论公式吻合较好;随着喷射压力的增加,喷孔内液体的湍动能对喷雾锥角的影响逐渐增加,导致实验值与理论公式的偏差逐渐增大,喷射压力增加至0.6MPa时,实验值比理论值大10°左右。实验还研究了内路出口缩进对喷雾锥角的影响,结果显示随内路出口缩进长度的增加,喷雾锥角呈现先减小后增大的变化趋势。     

喷注压降对液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响研究

为了研究不同喷注压降下液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的变化规律,采用高速摄像机观测喷雾形态。试验结果表明:内、外喷嘴单独工作时,喷雾锥角随着喷注压降的增加而增加。内、外喷嘴同时工作时,喷雾锥角随内喷嘴喷注压降的增加而减小,随着外喷嘴喷注压降的增加而增加。通过与内、外液膜同向旋转时喷雾锥角的变化规律对比,发现内、外液膜的旋转方向对外混式液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响不大,因为离心式喷嘴产生的锥形液膜的切向速度会很快转化为径向速度。由于液膜切向速度迅速转化为径向速度使得内、外液膜反向的动量转变为同向动量,从而造成利用角动量守恒来预测喷雾锥角的理论模型用于计算反向旋转的外混式喷嘴时存在较大误差。对于内、外液膜反向旋转的外混式喷嘴,由于液膜旋转方向对喷雾锥角的影响不大,可以按照同向旋转的公式进行计算。     

喷嘴防积碳结构对燃油分布的影响

针对航空发动机双油路喷嘴,采用试验和数值计算方法研究了不同防积碳结构对燃油分布的影响。采用光学分布式喷雾检测系统进行燃油分布测量试验,获取了不同防积碳喷嘴出口下游20 mm截面的锥角、周向分布和径向分布;并采用volume of fluid(VOF)仿真方法对不同防积碳结构的喷嘴进行了数值仿真研究。结果表明：相同供油压差下,喷嘴匹配防积碳结构后,喷雾锥角和燃油径向分布的峰值半径减小,小半径区域燃油分布占比升高。计算结果与试验结果符合较好,有效解释了防积碳气流对喷嘴燃油分布的影响。同一工况下,喷嘴匹配不同防积碳结构时,锥角的大小与喷口端面中心孔的气流速度相关,而周向分布主要与气液比相关。     

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。     

航空活塞发动机用自增压喷嘴喷雾特性试验

为了自增压喷嘴更好地在航空活塞发动机上应用,在定容弹内对自增压喷嘴喷雾特性进行了试验研究。采用可视化技术结合Matlab图像处理程序,研究了RP-3航空煤油在不同背压、燃油温度和环境温度下的喷雾特性。结果表明:背压为0.1 MPa时的喷雾有明显的表面波和油线结构。背压从0.1 MPa增大至0.8 MPa,典型的中空锥喷雾转变成有大尺度涡流的中空锥喷雾,喷雾贯穿距离和喷雾面积的最大值分别减小了45%和55.3%。燃油温度的升高促进了喷雾蒸发有助于冷起动,喷雾贯穿距离、喷雾面积和喷雾锥角均在燃油温度为50 ℃时最小。在背压为0.1 MPa时,喷雾贯穿距离和喷雾面积随着环境温度升高先增大后减小,在环境温度为60 ℃和50 ℃分别有最大值67.3 mm和915.5 mm2,而喷雾锥角则随着环境温度升高而减小,在环境温度为90 ℃时达到最小值9.2°。     

结构参数对喷嘴性能影响的数值研究

为了更好地了解离心式喷嘴的结构参数对其性能的影响,采用两相界面追踪流体体积方法(Volume Of Flui d,VOF)对离心式喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟研究。结果表明:增大喷嘴旋流室直径与出口段直径比DS/D0,能够减小液膜厚度和喷雾锥角;增大旋流室长径比LS/DS,能够增大液膜厚度,减小喷雾锥角;增大出口段长径比L0/D0,会使液膜变薄,喷雾锥角减小;增大旋流室半锥角θS,会使液膜变厚,喷雾锥角减小。     

双路离心喷嘴雾化特性的PDPA实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究。PDPA可直接测得测点处的喷雾液滴的尺寸分布和速度大小,并据此求出了测点处的索特尔平均直径SMD和液滴的平均速度。在喷雾锥三个横截面上进行了测量,得到了SMD的空间分布,据此得到了喷雾锥的锥角,并与光学照相和计算机图像处理测得喷雾锥角进行了对比。实验结果表明：液滴尺寸随着供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度时,液滴尺寸趋于不变;当主、副油路分别单独工作时,随测量横截面与喷口之间距离Z的增加,SMD减小;在供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离X的增加SMD值变化不大;喷雾锥角基本不随供油压力改变而变化。     

基于气助雾化喷射的柴油喷雾特性数值模拟

为对气助雾化喷射柴油的过程进行数值分析，借助计算流体力学仿真工具Fluent，在不改变喷嘴结构的情况下，建立考虑油气预混腔中柴油喷射过程的三维流体计算模型，研究定容弹内气助雾化喷嘴的柴油/空气两相流喷射过程，并且重点考察喷气压力、环境背压以及燃油温度对气助雾化喷射柴油喷雾特性的影响规律。结果表明：喷气压力对喷雾贯穿距离影响较大，喷气压力由0.65 MPa增大至0.75 MPa后贯穿距离增加12.2%，但柴油索太尔平均直径（SMD）只减小了5.2%，说明在保证燃油SMD处于较好水平时，喷气压力和环境背压绝对压力比值（气相压比）为7.5有利于减少气量消耗；环境背压对喷雾贯穿距离与燃油SMD影响显著，气相压比为1.875时，喷嘴出口处流场基本不会产生超声速气流，气动力降低显著影响了燃油液滴破碎过程，使喷射时间在4 ms时的SMD达到40.7μm；燃油温度对喷雾贯穿距离影响不大，但对燃油SMD影响较大，燃油温度升高后燃油SMD显著减小，323 K对应的SMD比293 K时减小了12.3%，喷射时间在4 ms时的SMD达到14.9μm，燃油蒸发质量分数达到36.93%。     

液体粘性对离心式喷嘴喷雾浓度分布和喷雾锥角影响的理论与试验研究

本文从理论和试验上研究了液体粘性对离心式喷嘴喷雾浓度分布,喷雾锥角和雾化粒度的影响,建立了喷嘴后方液体浓度分布的物理数学模型.首次考虑了喷嘴出口空气涡的影响,给出了浓度分布、喷雾锥角和索太尔平均直径的计算方法.运用激光散射测雾技术,对喷嘴在静止空气中的雾化特性进行了研究,给出了喷雾锥角和索太尔平均直径的经验公式,并从试验上验证了所建立的数学模型.     

双路离心喷嘴雾化特性的实验

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究,得到了索太尔平均直径(d₃₂)的空间分布和喷雾锥角.实验结果表明:液滴尺寸随着供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度,液滴尺寸趋于不变;当主、副油路分别单独工作时,随测量横截面与喷口之间距离Z的增加,d₃₂减小;在供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离X的增加d₃₂值变化不大;喷雾锥角基本不随供油压力改变而变化.      

喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响

为了研究喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响，对长喷口离心喷嘴内部流动状况进行了理论分析。采用高速动态测量分析系统，以水为模拟介质，对离心喷嘴流量、液膜展开角、喷雾场轴向速度等参数在不同压降工况下，随喷口长度的变化进行了试验研究。结果表明：喷口长度的增加使离心喷嘴流量增大、液膜展开角减小、喷雾场轴向速度降低；推导了长喷口离心喷嘴流量系数和液膜展开角的经验公式，该公式可供实际工程应用参考。     

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。     

Spray characteristics of jet–swirl nozzles for thrust chamber injector

Thrust chamber injector is very critical component since that small differences in its design can result in dramatically different performance. This paper presents a preliminary investigation of a mono-propellant jet–swirl nozzle for thrust chamber using the existing commercial nozzle made of brass with little modification. The performance of two types of spray pattern, i.e. hollow cone and solid cone were investigated under cold flow test. Two solid cone injectors were studied at various purely axial orifice diameter with all other parameters remaining constant. This investigation reveals that decrease in the breakup length increased the spray angle. Higher injection pressure leads to shorter breakup length and higher value of discharge coefficient, except for hollow cone nozzle which shows mild fluctuating trend. Experimental data also tells that solid cone nozzle with diameter ratio 0.14 has the highest average discharge coefficient (0.60), followed by hollow cone nozzle (0.25). Solid cone nozzle with diameter ratio of 0.1 has an average discharge coefficient of 0.21.     

背压对液体离心喷嘴内液膜厚度的影响

从理论分析和数值计算两方面研究不同背压下的液体离心喷嘴内液膜厚度.在经典理论的基础上建立的包含气液界面摩擦作用的损失系数理论模型并不足以体现背压对液膜厚度的改变;通过使用旋转轴对称模型在自适应网格中求解耦合VOF(volume of fluid)方程的Navier-Stokes方程组的数值模拟表明,随气体密度增加而减小的气液界面附近过渡区域中的平均速度分布是导致液膜厚度增加的原因.      

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.      

敞口式离心喷嘴内部及近喷口区域的流动特性

为了深入理解敞口式离心喷嘴雾化机制,基于界面追踪法VOF（volume of fluid）和RNG（renormalization group）湍流模型对敞口式离心喷嘴进行数值模拟,计算结果与PDPA（phase Doppler particle analyzer）及单反相机测得的喷嘴出口速度和雾化锥角一致性较高.清晰地捕获了中心空气涡结构及喷嘴内部的回流区,展现了切向孔与旋流室的交互影响,并着重分析了液膜厚度演变特性及喷嘴内外速度场发展规律.随着喷注压降的增加,破碎长度降低,打开长度及喷雾角增加.揭示了敞口式离心喷嘴独特的流动机制,为喷嘴雾化性能预测及结构优化提供依据.      

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.      

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。     

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.