孔径比和动量比对双股射流撞击式雾化影响分析

采用移动粒子半隐式(MPS)法和GPU并行加速技术,对双股射流撞击式雾化过程进行了数值模拟,分析了射流孔径比和动量比的变化对雾化特性参数的影响.模拟成功捕捉到了典型工况下一次雾化液膜破碎成液丝、液丝进一步破碎成液滴的全过程.获得了喷雾扩散角、液膜破碎长度、雾化液滴索特尔平均直径和雾场偏斜角等雾化特性参数.数值结果表明,...     

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。     

射流在不可压气流中破碎过程高精度数值仿真

研究液体射流在不可压气流中破碎过程的难点在于捕捉射流柱表面细节特征。采用基于Gerris开源代码的树形自适应加密算法和VOF方法对射流袋式破碎和剪切破碎的典型算例数值计算,实现了射流柱从变形、弯曲到破碎成液滴的全过程可视化,清晰的捕捉到了射流柱表面形成的表面波,计算得到的射流轨迹、破碎长度和液滴空间分布均与文献中实验结果很好的吻合。直观表明表面波导致射流柱不稳定,射流袋式破碎液滴较大,剪切破碎液滴平均直径约为60μm,基于Gerris的高精度数值算法有助于进一步认识射流破碎机理和高效评估破碎效果。     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

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。     

液液针栓多喷注单元喷雾场数值模拟

为了研究相邻喷注单元间相互影响对针栓式喷注器喷雾场的影响,以平面针栓多喷注单元为研究对象,采用基于AMR(adaptive mesh refinement)技术和分相识别的PLIC VOF(piecewise linear interface calculation VOF)新方法,实现了针栓式喷注器雾化过程的高保真数值模拟。给出了喷雾场典型的结构特征及液雾的分布特性,对比了多喷注单元与单喷注单元喷雾场的差异,揭示了相邻喷注单元间的相互影响机制。研究表明,新的仿真方法在精细研究针栓式喷注器喷雾场方面具有较好的准确性。与单喷注单元相比,多喷注单元喷雾场主要存在以下特殊结构：相邻两雾扇相撞背部呈脊状结构,使得雾化区域大于雾化角;两雾扇相撞在中间对称面汇聚形成薄液膜,使整个雾化角范围内均有液滴分布;相邻两孔之间形成一定下漏率和下漏液膜宽度;液膜路和液束路的液滴粒径均显著增大了约35%,流强和混合比沿径向分布更趋于均匀。相邻喷注单元间的相互影响机制为：相邻喷雾扇相撞后原先各自向外展开的雾扇被挤回中心对称面,其厚度是原雾扇的两倍,其他未发生撞击位置的液膜厚度保持不变,最终形成的喷雾扇结构呈扁平的...     

直流自击式喷嘴雾化特性研究

直流自击式喷嘴广泛应用于液体火箭发动机喷注器,但对于其雾化机理及特性的研究基本上都是建立在冷态试验和发动机热试车的基础之上.从喷嘴射流的受力分析着手,建立了射流破碎的物理模型,计算中考虑了影响该型喷嘴雾化特性的主要因素,并与相关实验结果进行了对比分析,说明了该物理模型具有一定的参考价值.该模型可以在燃烧流场计算时作为雾化初始条件使用.     

预剪切对凝胶汽油雾化特性影响的实验研究

为研究预剪切对凝胶汽油雾化特性的影响,在已有的双股撞击式喷嘴雾化系统上设计并加装预剪切管。采用Malvern粒度仪和粒子图像速度仪(PIV)分别测量了凝胶汽油雾化场液滴的粒径和速度分布。结果表明,预剪切管对凝胶汽油的撞击式喷嘴雾化具有重要影响:一方面,预剪切管减小了凝胶汽油的表观粘度,利于雾化过程中液滴的破碎和剥离;另一方面,预剪切管增大了流动阻力,导致凝胶汽油射流动能降低和雾化后的液滴速度降低,不利于雾化。合适的喉部长度与喉部直径能够有效降低雾化流场液滴索太尔平均直径。实验数据表明,加装喉部直径为3~4 mm,喉部长度为10~20 mm的预剪切管最有利于改善雾化效果。     

射流撞击雾化液滴运动过程与粒径分布特性的试验研究

在大气环境下,以水为介质,采用PDPA和高速动态分析系统,针对直流撞击式喷注单元的雾场结构进行试验研究,获得了雾化液滴速度分布、粒径分布等试验参数。从液滴运动及液滴大小分布的角度针对撞击雾化液膜破碎成液滴的过程进行了分析,发现水平面上雾化液滴的径向速度以原点为中心对称,且随离原点距离增大而增大;初始雾化阶段的粒径大小分布则与径向速度分布相反。分析认为是液膜运动过程赋予了雾化液滴的初始速度,并影响了初始雾化液滴的分布特性。     

气/液同轴旋流式喷嘴雾化特性实验研究

应用激光相位多普勒粒子分析仪，对液体火箭发动机气/液同轴旋流式喷嘴进行了冷流模拟实验研究，获得具有工程应用价值的实验结果。进而分析了该型喷嘴的雾化机理和雾化特性，给出雾化粒径经验关系式。     

旋流式气／液同轴喷嘴常压雾化燃烧实验研究

利用相位多普勒粒子分析仪,对两种旋流式气/液同轴喷嘴进行了模拟实验研究,获得了冷流模拟条件下和常压燃烧条件下的喷嘴雾化参数分布,以及常压下喷雾流稳定燃烧的条件,分析了该型喷嘴的常压雾化燃烧特性.同时,使用红外热像仪测量了常压条件下喷雾流燃烧的温度分布,分析了火焰结构,定性研究了喷嘴形式和工况对燃烧性能的影响.     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

气液针栓喷注器在节流水平下的雾化角模型分析

为了实现气液针栓喷注器在节流水平下雾化角的准确预测,首先基于控制体分析从动量守恒出发建立了中心推进剂偏转角理论模型,在获得中心推进剂偏转角的基础上建立了雾化角理论模型,并通过试验结果引入变形因子C,最后根据试验结果和数值模拟结果验证了两个模型的准确性。结果表明：中心推进剂偏转角主要受节流水平影响,雾化角主要受动量比和中心推进剂偏转角影响;液束与气膜撞击后变形使液束有效动量小于初始动量,根据试验结果得到变形因子C=0.8,中心推进剂偏转角理论模型和雾化角理论模型的预测值均与试验及数值模拟结果吻合很好,模型可为气液针栓喷注器的理论研究和工程设计提供参考。     

气动扇形喷嘴雾化特性的实验研究

为研究气动扇形喷嘴雾化特性,设计加工了不同角度、不同出口形式和不同尺寸的5种扇形喷嘴,并搭建了试验台架系统,进行了喷嘴雾化试验。根据试验测量结果,从流量特性和雾化特性方面分析了气液比、喷嘴结构等对喷嘴流量系数、喷雾场雾化粒径分布的影响,并定性给出了喷嘴结构对雾化特性的影响规律。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

凝胶模拟液液滴碰撞的SPH数值仿真

雾化问题是凝胶推进技术研究的关键问题,雾化过程中不可避免地会出现液滴的碰撞。通过SPH方法对凝胶推进剂模拟液液滴的碰撞过程进行了数值模拟。针对气-液交界面处存在较大的密度、粘度梯度,对传统SPH方法做出改进。在此基础上,对空气中两个同尺寸的凝胶液滴碰撞过程进行了数值模拟,并与水滴的碰撞进行了对比,分析了凝胶推进剂的流变特性对于碰撞结果的影响。结果表明,凝胶液滴的碰撞动能在高粘度的作用下迅速耗散,液滴碰撞后,更易发生聚合,进一步增加了凝胶推进剂雾化的难度。     

气-气同轴直流式喷注器结构参数对燃烧性能的影响

气—气同轴直流式喷注器广泛应用于全流量补燃循环发动机,喷注器的结构设计在很大程度上影响发动机主推力室的性能。为了探究气—气同轴直流式喷注器的结构参数对燃烧性能的影响,通过数值计算,分析了氧喷嘴直径、燃料喷嘴宽度、燃料喷嘴与氧喷嘴之间的壁厚以及中心氧喷嘴的缩进距离这4方面的结构参数对燃烧效率以及火焰长度的影响。结果 表明...     

Y型喷嘴穿透特性的实验和模型研究

为研究某Y型喷嘴的穿透特性,搭建了实验台架系统,设计了喷嘴的工况参数,并进行了喷嘴的冷态实验研究.根据实验测量结果,分析了气液比(2％～4％)对穿透深度的影响规律,提出了新型的无量纲复合动量,对M.Y.Leong穿透深度经验公式进行了改进,拟合了实验条件下的经验参数.进一步利用液滴运动数学模型对喷嘴的穿透深度进行了计算...     

单股自由圆射流撞壁雾化实验

利用直流撞击式喷注器组织燃烧的发动机推力室喉部材料耐温极限制约了发动机燃烧效率提升,一种新型高性能直流冷壁式喷注器可以解决这一问题,为了指导这种新型喷注器的设计,从射流撞击雾化实验出发,探索了圆射流撞壁雾化规律。采用高速摄影捕获溅射雾化场整体形态,利用收集法测量溅射雾化率,选用PDA和PIV分别测量溅射液滴粒径及速度矢量。研究结果表明:射流撞壁后存在溅射,溅射液滴局部呈现螺旋状,液滴粒径为几十微米量级,溅射雾化率随撞击距离的变化规律可分为4个典型阶段:初始段、发展段、稳定段、衰减段,湍流动能为溅射雾化率的决定因素。     

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。