N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

离心式喷嘴内部流动过程数值仿真分析

基于Coupled Level Set+VOF两相流计算方法,分别模拟了敞口型与收口型离心式喷嘴内部流动过程,可视化展示了喷嘴内部填充过程,分析了喷嘴内部的流动特性及其详细流场结构.捕捉到液膜表面波动和液膜表面内侧空气中的涡.结果表明:液膜表面波波谷内侧的空气中有涡存在,涡心连线处在轴向速度零速线上;喷嘴出口截面的轴向速度和切向速度具有明显的分区流动特征.液膜表面波的波谷-波峰和气体中的涡存在挤压与被挤压的相互作用,它们之间通过相界面变形传递这种气液间相互作用.另外,将外喷雾场的计算结果与实验结果对比,两者吻合较好,间接验证了内流场计算结果的准确性.     

离心式喷嘴全流场数值模拟

将离心式喷嘴流场数值模拟由内流场扩展至外流场,将喷嘴出口的一段区域纳入计算域,探索用数值模拟方法研究全流场的流动特性并在此基础上对雾化特性进行分析。计算结果给出全流场的液膜形状以及气涡与液膜共存的流场结构,直接给出雾化锥角。采用VOF方法捕捉气液界面,湍流模型选择RNG双方程模型,对容积分数方程选择积分平均型TVD格式...     

同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性对比实验

对液体中心型同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性开展了实验研究。采用高速摄影捕捉瞬态喷雾过程,通过Matlab程序获取了相应雾化锥角并与单喷嘴进行对比;采用激光粒度仪测量了双喷嘴近场区域液雾索泰尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD),借此分析了单喷嘴与双喷嘴雾化锥角产生差异的机理。结果表明:随着气液比的增大,双喷嘴较单喷嘴的雾化锥角增加;双喷嘴间形成的复杂湍流区致使喷嘴间索泰尔平均直径小于喷嘴外侧;喷嘴间粒径较小,易受到湍流区的卷吸作用,致使两喷嘴内侧喷雾锥角增大。     

液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理

高压超临界喷雾演化过程作用机理是氢氧火箭发动机燃烧不稳定性机理分析、提高燃烧 效率研究的基础。为探讨高压条件下液氧喷雾演化过程的主要作用因素,引入气液同轴喷嘴 雾化模型和高压蒸发模型,考虑超临界条件下液氧／气氢气液平衡及其物理属性,对氢氧火 箭发动机单喷嘴工况条件下喷雾燃烧过程进行了一体化三维数值仿真,得到了液氧喷雾液滴 分布和燃烧流场参数,综合分析了液氧液滴蒸发率、氢氧化学反应率、混合燃气涡量分布与 液氧喷雾尺寸、数量的变化规律,提出了液氧喷雾演化过程六个作用因素不同的阶段。
     

螺旋离心式喷嘴内部流动过程数值仿真研究

基于VOF模型对螺旋离心式喷嘴内部流动进行了三维全尺寸数值仿真研究,重点分析了液相在喷嘴内部的流动过程以及喷嘴内部各区域的速度、压力分布。结果表明:液相进入螺旋槽后,在螺旋槽与入口联接处形成气穴,气穴随着液相流入逐渐变小;喷嘴内部流场稳定后,在旋流中心区域形成稳定气核,喷嘴出口段液膜厚度沿轴向逐渐减小;在旋流区域液相最大切向速度位于贴近气液交界面附近区域,并且切向速度沿轴向方向逐渐减小;喷嘴各部分对总压损失的影响由大到小分别是收敛段、螺旋槽、等直段和旋流腔。     

液液同轴离心式喷嘴喷雾过程研究进展

内部流动主要研究了流量系数、液膜厚度和气核半径,分析了内部流场,少量研究涉及内外喷嘴液膜互击、液膜表面波振幅和频率等方面。液液喷嘴外部液膜流动及喷雾特性的研究开展较多,观测了不同工况、结构参数下内外液膜流动形态,少数学者使用理论方法分析了液膜破碎机理。对喷雾特性的研究主要是获得了喷雾锥角、破碎长度、液膜振荡频率等的变化规律,并进一步研究了SMD、液滴速度、混合特性等的变化规律。     

缓变推力三组元液体火箭发动机喷嘴

本文的研究还不十分成熟。文中介绍了不同状态(液态和气态)两种燃料与一种氧化剂在雾化、燃烧时的混气形成过程方面的一些研究结果,介绍了用作液氧/煤油/液氢火箭发动机(在煤油供应平缓减少直至完全关闭情况下,富氧燃气或富燃燃气在燃烧室中补燃)混合装置的三组元喷嘴的研制开发情况。三组元喷嘴综合了俄罗斯液体火箭发动机(LRE)中广泛使用的两种喷嘴型式:一种是燃料从周边喷注到中心气流中的气液喷嘴,另一种是中心为液喷嘴的气液同轴喷嘴。它们可以各自单独工作和同时工作。由于离心式喷嘴节流强化了非稳态过程中推进剂组元的雾化和混合,使得在节流过程中液体燃料流量可大范围变化;由于阻尼了离心式喷嘴中节流燃料流量的波动,提高了燃烧稳定性。     

双组元离心式喷嘴外喷嘴流动数值模拟分析

离心式喷嘴在火箭发动机中广泛应用,以往的研究中对双组元离心式喷嘴的外喷嘴流动特性研究较少,通过数值模拟方法研究外喷嘴流动特性。针对典型双组元离心式喷嘴结构,运用CFX软件数值模拟研究其外喷嘴的流动特性,获得喷嘴的典型流场结构,将数值模拟结果与试验结果对比,验证数值模拟方法的有效性。研究内喷嘴对外喷嘴流动特性的影响,获得内喷嘴直径、缩进长度对外喷嘴流量系数、雾化锥角的影响规律。数值模拟结果可以更详细的给出喷嘴流场特点及喷嘴流动特性,运用数值模拟方法可以更准确的指导喷嘴设计过程。     

离心式喷嘴一次破碎与二次雾化的数值模拟

离心式喷嘴具有轴向较大的旋转速度分量,在其诱导下会产生空气芯,使得喷嘴出口处产生空心锥液膜。空心锥液膜会发生一次破碎和二次雾化,流动行为较为复杂。采用流体体积函数转换成离散相模型(VOF-to-DPM)这种结合了流体体积法和欧拉—拉格朗日方法的多相流模型,并结合自适应网格细化方法,针对双切向孔离心式喷嘴雾化流场特性展开...     

补燃循环火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性研究

基于经典声学和振动理论,运用流体动力学基本方程描述燃气通道内气体的波动现象,建立了双组元同轴直流离心式气液喷嘴声学特性分析的物理、数学模型,采用四端网络方法进行了计算。对单喷嘴声学模拟试验结果进行了分析。结果表明,所建声学特性分析模型用于分析喷嘴波动过程是可行的;合适的通道长度和节流嘴直径对液氧／煤油补燃循环发动机高频燃烧不稳定性有明显的阻尼作用。     

低温流体闪蒸喷雾研究

为了研究低温流体闪蒸喷雾特性,建立了低温流体闪蒸计算模型,并通过试验进行了验证。在欧拉-拉格朗日框架下采用CFD-DPM方法模拟了闪蒸过程的气-液两相流场。研究表明,在闪蒸喷雾形态和温度分布特性方面,数值模拟与试验结果吻合。低温流体喷入低压环境后,在喷嘴出口附近便发生剧烈的闪蒸现象,呈现出巨大的喷雾角,并且喷雾温度急剧下降至环境压力对应的饱和温度;在喷嘴出口附近区域(x/d～40),过热闪蒸占据绝对主导地位,其蒸发速率高出其他换热2个数量级,随着喷雾液滴运动至流场下游,对流换热与热传导逐渐占据主导地位。闪蒸带来的强烈换热导致喷嘴附近可能会发生复杂的气-液-固相变,将会对发动机高空可靠点火带来风险。     

反压对收口型离心喷嘴液膜厚度的影响

离心喷嘴液膜厚度是影响喷嘴喷注雾化效果的主要参数之一。对不同背压环境下收口型离心喷嘴内液膜厚度的影响进行了研究。通过搭建反压喷注系统,利用电导法对收口型离心喷嘴液膜厚度进行测量,采用陶瓷针规对获得的电压值标定从而得到液膜厚度值,所得液膜厚度不确定度为0.017 mm。通过高压舱为喷嘴提供喷注环境,测量不同喷注压降和反压下的液膜厚度,从而得出结论:随着喷注压降的升高,离心喷嘴液膜厚度呈变薄趋势;反压的增加会导致气体密度的增加,使离心喷嘴内空气涡与液膜界面摩擦作用加剧,导致了液体速度下降,在相同质量流率的情况下,促使液膜厚度变大。将实验所得常压环境下的液膜厚度值与经验公式估算值比较,验证了测量结果的准确性;通过在现有液膜厚度理论公式的基础上引入反压项,提出一个全新的液膜厚度经验公式。     

液体火箭发动机喷嘴动力学研究进展

对液体火箭发动机喷嘴动力学研究的有关文献进行了综述,从喷嘴动力学理论分析和实验研究两方面入手,对直流式、离心式喷嘴、敞口型离心式喷嘴和气液同轴喷嘴动力学的国内外研究进展进行了全面总结。从目前的研究结果来看,喷嘴动力学在解决燃烧不稳定方面具有重要意义,在未来液体火箭发动机研制中将起到更大作用。     

单喷嘴燃烧流场仿真研究

运用CFD技术,采用涡扩散（EDC,eddy dissipation concept）模型对某发动机单喷嘴燃烧的稳态燃烧流场进行了数值模拟,得到了燃烧室内的压力、速度、温度及燃气组分等参数的分布情况,并对其混合程度进行了评估。结构改进前后的计算结果对比表明,适当增加中心喷嘴的壁厚和缩进长度有利于燃烧室火焰的附着和提高燃烧室流场的均匀程度。     

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明：当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500～3 000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3 000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。     

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50～60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。     

空气加热器声学振荡特性的数值计算

为研究空气加热器的声学振荡特性并为其设计和后续的试验方案提供借鉴,对空气加热器不同喷嘴位置处的喷雾火焰形成的声学振荡进行了数值仿真,重点研究了多个离散点处的不稳定特征以及燃烧室内的流场演化过程。仿真结果捕捉到了燃烧不稳定的典型特征,如起振、线性增长、稳定极限环;非稳态流场直观地展示出喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成二阶横向声学振荡,并且这种振荡形式具有从喷注面板向喷管入口传播的行波特征;离面板中心53.6mm的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成一阶横向声学振荡,这种振荡形式没有明显的行波特征。