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%。     

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°。     

夹气喷嘴瞬态喷雾的CFD仿真及试验

通过CFD仿真和试验的方法研究了夹气喷嘴的瞬态喷雾特性并验证了喷雾仿真模型的准确性.利用Fluent软件在不同环境背压和不同喷气压力的条件下进行了瞬态喷雾的CFD仿真计算,同时利用高速摄影机拍摄定容弹内部的喷雾形态,以及通过激光粒径测试仪对大气环境下的喷雾进行燃油液滴SMD的测量.结果表明:喷嘴出口处高速流出的压缩气体与燃油发生强烈的耦合,并于下游处产生强烈的涡环结构;试验中环境背压减少0.2MPa时所增加的平均贯穿速率是喷气压力增加0.2MPa时的3.62倍;喷雾平均贯穿速率的试验结果与仿真结果的平均误差为9.94%;试验得到的喷嘴外围的喷雾平均索特直径与仿真平均索特直径的平均误差为4.33%.      

限流方法解耦燃烧与喷射过程的合理性研究

为了研究双模态超燃冲压发动机燃烧室在燃烧诱导的高背压环境下燃料的输运和分布情况,采用了限流方法模拟燃烧诱导的高背压环境。针对燃烧室中凹槽上游氢气燃料喷射工况的研究发现,限流试验的压力分布与燃烧试验压力分布在燃烧室前半段比较接近,证明二者的流场在燃料喷射段有一定的相似程度;数值模拟结果表明,相较于低背压状态下62%的混合效率,高背压状态下混合效率提高到了87%,并且燃烧状态下拍摄的火焰区域与限流状态下数值模拟的燃料的可燃质量分数范围相符,证明了限流方法解耦燃烧与喷射过程的合理性。     

燃油总管及喷嘴特性试验研究

为了研究航空发动机燃油总管流量特性以及喷嘴在不同进口压力条件下的喷雾周向分布特性等,对某型发动机的燃油总管及大、小燃油喷嘴特性进行试验。采用称重法,研究不同供油压力下燃油总管和喷嘴的流量特性以及单个喷嘴的燃油周向不均匀度;采用高速摄影仪对单个喷嘴喷雾锥角随供油压力变化及喷嘴主油路顶开压力进行试验测量。试验结果表明:随着供油压力增大,各喷嘴燃油流量逐渐增加,燃油总管流量也随之增加;大、小喷嘴燃油周向不均匀度较差,并且随着供油压力提高而增大;大、小喷雾锥角随供油压力的提高而增大,在主油路打开之后随着供油压力继续提高变化较小;获得了大、小喷嘴的主油路顶开压力分别为1.001、0.883 MPa;大流量喷嘴常规特性要优于小流量喷嘴的。     

气助式直接喷射喷油器动态喷雾场数值模拟及试验

为了研究小型飞机发动机气助式直接喷射(air-assisted direct injection,AADI)喷油器喷雾形态及发展规律,采用数值模拟和高速摄影技术对其动态喷雾场进行研究.以锥阀运动的物理学模型为数值计算的移动边界条件,结合动网格技术对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、静动压分布和不同时刻雾化颗粒的空间分布进行动态数值模拟分析.以0.2ms为步长,对3.0ms内不同锥阀开启时刻的喷雾形态、雾化颗粒和贯穿距离进行了试验和仿真对比分析.结果表明:采用CFD仿真模拟技术可对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、压力分布、喷雾形态等参数进行定性分析,有利于揭示喷雾的发展规律,同时通过对喷雾粒径和贯穿距离的定量对比分析,表明了仿真计算的精确性,数值模拟计算与试验结果误差小于5%,满足工程应用的要求.      

冲压发动机燃油雾化过程数值计算

对冲压发动机燃烧室内的雾化过程进行数值仿真,以研究其燃烧室中燃油喷射压力、人口来流速度等对燃油雾化特性的影响;建立了物理模型和数学模型,对燃油的喷雾混合进行了具体的数值计算。计算结果表明,喷射压力越大,贯穿距也越大;来流速度越高,雾化成的液滴颗粒直径越小;射流湍流程度越大,其喷雾锥角也变大。     

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。     

高扰动燃油喷嘴雾化试验

为改善航空发动机的燃油雾化、验证高扰动雾化方案应用于航空发动机燃油喷射的可行性,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)及高速摄影技术,对不同夹角、不同孔径结构条件下的V形交叉孔高扰动喷嘴和单孔喷嘴的喷雾场粒子特性进行了测量。结果表明:随着供油压差增大,雾化锥角随之增大,索太尔平均直径(SMD)值随之减小;交叉孔结构对燃油雾化有明显促进作用,在相同的供油压差、出口截面积条件下,交叉孔的雾化锥角更大,SMD更小;在SMD相同时,交叉孔所需的喷射压力远小于圆直孔;随着交叉角的增加,雾化锥角、SMD均有明显改善;采用空气辅助能够有效增大雾化锥角、降低SMD值,但改善效果随气压增加而逐渐减弱。与传统单孔喷孔方案相比,高扰动喷孔能够在相同压力条件下极大的改善燃油雾化效果。      

某涡轴发动机起动不成功分析

对某型发动机外场起动不成功试验数据进行分析,并通过燃油喷嘴低油压雾化试验及整机起动时的温度场测量验证,确认燃油喷嘴喷口积炭后,燃油喷嘴喷雾锥角减少,燃油雾化质量恶化,直接影响到发动机起动时火焰联焰的可靠性,对发动机起动性能产生较大影响.涡流器插入深度对涡流器出口喷雾的部件研究试验结果显示:插入深度对涡流器出口喷雾无影响;整机模拟外场使用结果表明:发动机在不大于30%功率的低状态长期使用,离心式燃油喷嘴容易出现积炭.      

航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性,通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验,并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质,观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化,发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响,最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质,通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度,结果表明在背压大于1.75MPa的工况下,该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构,此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力,两者都起着促进雾化的作用。     

一种离心甩油盘雾化性能的试验

在离心甩油盘性能试验器上对一种离心甩油盘雾化性能进行了较详细的试验研究,用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了不同转速下甩油盘的燃油雾化粒度索太尔平均直径(SMD)、雾化锥角等性能参数.试验结果表明:在试验转速范围内,随甩油盘转速增大,甩油盘雾化锥角α逐渐减少; 随甩油盘转速增大,雾化粒度SMD值逐渐减少,当甩油盘转速大于25000r/min时,燃油的SMD值基本保持不变; 在同一甩油盘转速下,燃油的SMD值随离甩油盘喷油孔距离的增大而增大.      

喷嘴内湍流运动对火焰浮起长度影响的数值模拟

为考虑喷嘴内部湍流运动对燃油雾化和火焰浮起长度的影响,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中,并对二次破碎模型进行了修正。建立了完整的燃油雾化和燃烧的数学模型。通过与实验数据对比来验证燃油雾化模型的准确性,并讨论了喷嘴内湍流运动对燃油雾化过程的影响。结果表明,湍流运动会加快液滴破碎和蒸发的速率,从而减小燃油蒸气贯穿距。火焰浮起长度的计算采用本文建立的燃油雾化模型,成功计算了火焰浮起长度随氧气体积分数、气体密度、气体温度和入射压力变化的规律。同时发现在不同气体密度和氧气体积分数的工况下,喷嘴内部湍流运动对火焰浮起长度的影响基本保持不变,分别为9%和13%;入射压力和气体温度的升高会导致喷嘴内部湍流对火焰浮起长度的影响逐渐变大。      

旋流空气对双油路离心喷嘴雾化特性影响的实验

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对带空气旋流器的双油路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究,供油压力的工作范围在0.3~2.1MPa,采用轴向逆流器,旋流器叶片出口角为79°,旋流器前后空气压降在0.03~0.15MPa,实验得到了索太尔平均直径(SMD)与喷雾锥角随供油压力与风速的变化规律.结果表明:在相同供油压力下,旋流器通入空气后,喷雾锥角值较未通入旋流空气时将增大15°~20°,索太尔平均直径比未通入旋流空气时减小40%.      

空气辅助喷射闪急沸腾喷雾特性试验

在定容弹内利用高速相机和相位多普勒粒子分析仪（PDPA）研究了环境压力和燃油温度对空气辅助喷射系统喷雾特性的影响。试验环境压力的变化范围为0.01MPa到0.1MPa,燃油温度的变化范围为25℃到100℃。试验结果表明:随着环境压力的减小,燃油喷雾逐渐从冷态过渡到闪急沸腾状态,在喷嘴出口处喷雾气泡急剧增加。当环境压力小于0.02MPa时,喷雾处于闪急沸腾状态,液滴速度增加,粒径减小,在喷雾近端出现喷雾膨胀现象；随着燃油温度的上升,液滴表面张力减小,液滴易于破碎。当燃油温度达到100℃时,喷雾处于闪急沸腾状态,喷雾远端出现喷雾膨胀现象。      

某燃气轮机空气雾化喷嘴的试验研究

进行了某型燃机空气雾化喷嘴燃油喷雾特性的试验研究。得到以下结论：在油压不变的情况下,雾化锥角总是随着空气压力的增加有所减小,索特尔平均直径SMD随之迅速减小,整体减小幅度大约在10-30μm;气压不变时,雾化锥角和索特尔平均直径随着油压的增加而稍有增大;当气压为0.3MPa时,索特尔平均直径基本都保持在30μm以内。     

加工工艺对航空发动机燃油喷嘴性能的影响研究

介绍了喷嘴主要构件的技术要求和加工工艺。通过试验得到喷嘴的流量特性、喷雾锥角、索特尔平均直径的分布规律。喷嘴的SMD随供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度时,SMD趋于不变;喷雾锥角基本不随压力的改变而改变。对10个试验喷嘴测量数据的拟合和方差分析结果表明:喷嘴流量与喷口半径的平方、旋流槽截面积成比例。在生产中,可以按小公差加工喷口和旋流槽,流量不足时,可采取加大旋流槽尺寸或增大研磨喷口(尢其是主喷口)的半径的措施,以增大喷雾锥角。     

基于滑动弧的航空发动机燃烧室头部喷雾特性

发明了航空发动机燃烧室滑动弧等离子体燃油裂解头部,并开展了燃油喷雾性能实验,实验研究了不同放电电压下滑动弧等离子体对燃油喷雾性能的影响规律。结果表明,实施滑动弧等离子体燃油裂解之后,初次雾化的燃油在高温电子的碰撞下高碳链的燃油分子被打断成低碳链的小分子,燃油的黏性力降低,雾化性能得到提升。随着放电电压的升高,燃油喷雾的雾化锥角增大,SMD平均值减小,不均匀系数下降,燃油喷雾的均匀性得到明显的改善。当入口空气流量为20 m³/h,余气系数为0.6时,未施加等离子体的燃油喷雾的雾化锥角为43°,SMD平均值为93.545 6 μm,不均匀系数为0.304,当放电电压达到200 V时,燃油喷雾的雾化锥角增大到75°,SMD平均值减小为89.690 6 μm,不均匀系数下降到0.233。