螺旋离心式喷嘴雾化特性试验与仿真研究

为了研究螺旋离心式喷嘴液膜形态及锥角变化规律,运用高速摄影仪与VOF方法对该型喷嘴进行了不同喷注压降及不同背压下的雾化特性试验与数值仿真研究。试验与数值仿真结果分析表明:提高喷注压降能明显加剧液膜一次破碎,缩短破碎长度,而提高背压对二次破碎的影响更明显,更有助于改善雾化效果;随着喷注压降与背压的提高,液膜锥角均逐渐增大,但改变背压对液膜锥角的影响明显小于改变喷注压降;液膜锥角沿轴向增大且变化率逐渐减小,最后锥角基本保持定值。数值仿真所得到的液膜形态及锥角与试验结果吻合较好。     

液体离心喷嘴动力学特性理论分析

为了研究离心喷嘴在发动机动态系统中的作用,采用线性化法建立了液体离心喷嘴动力学模型,并推导了可以与其他环节相连的离心喷嘴传递矩阵模型。通过文献中的试验数据,验证了所提出的敞口型离心喷嘴模型的合理性。计算结果表明,在同样的压降和尺寸下,相对收口型离心喷嘴,敞口型离心喷嘴出口流量振荡幅值大大降低,滞后相位角较大。喷嘴与供应系统相互作用时,出口流量的谐振频率由供应系统的声学特性决定,但谐振峰幅值大小由离心喷嘴特性决定。增加喷嘴压降,则出口流量振荡幅值降低;在喷嘴压降不变时,提高发动机系统整体压力,则出口流量振荡幅值增大。     

反压条件下Y型喷嘴的变工况试验

针对燃烧室的变工况需求,利用反压试验系统开展了Y型喷嘴变工况试验,获得了喷嘴在不同反压环境下的喷注刚性、平均流速及雾化质量.试验结果表明,在常压环境中,Y型喷嘴通过掺混气体的方式显著改善了低工况下的喷注刚性和雾化效果,喷嘴具有较宽的工况调节范围;在反压环境中,随着反压升高,掺混气体对提高低工况下喷嘴喷注刚性的作用减弱,然而受掺混气体的影响,喷嘴的平均流速和雾化质量明显改善,并且在不同流量工况下获得了良好的一致性.在模拟燃烧室工作时,Y型喷嘴在较宽的流量调节范围内都具有良好的喷注刚性和雾化质量,其有效的流量调节范围远大于直流喷嘴.     

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.     

富氧燃气发生器液氧供应系统频率特性分析

为了研究富氧发生器液氧供应系统的动态特性,详细考虑液氧头腔中的流动过程和喷嘴动力学环节,建立了系统的传递矩阵模型。计算了系统在发生器室压扰动下的频率响应特性,并分析液氧头腔体积、喷嘴压降、喷嘴惯性和发动机工况对液氧供应系统动态响应的影响。结果表明,由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳主要取决于头腔和喷嘴的动态特性,出口流量幅值在很宽的频率范围内都较高。增大头腔体积,则增大出口流量的幅值,降低头腔中压力响应幅值。适当提高喷注压降或喷注单元的惯性,都能降低液氧喷注导纳的幅值。在低工况下出口流量幅值在300～800Hz之间增大,不利于该频率范围的耦合稳定性。     

氧压降对气-气喷注器燃烧过程的影响

开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷注器的热式试验研究.通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究在速度比一定的条件下,氧喷嘴压降变化对燃烧位置和燃烧效率的影响.研究结果显示氧压降变小使推进剂的燃烧效率提高,喷注压降变化对气-气推进剂的燃烧位置影响很小;气-气喷注器的设计可以选取小的氧喷注压降.     

基于正交试验设计的姿控发动机起动特性

基于AMESim模块化仿真软件,建立了姿控发动机仿真模型,采用正交试验设计方法,分析了推进剂黏度、集液腔容积、燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间等因素对姿控发动机起动响应特性的影响。结果表明:起动响应特性指标主要影响因素为燃烧时滞、喷注压降和阀门间隔时间,且对阀门间隔时间敏感性最高。室压超调量对推进剂黏性敏感性最低,响应时间对喷注压降敏感性最低。燃烧时滞越大,喷注压降越小,阀门间隔时间越大,发动机响应性能越差。优化喷嘴雾化性能以缩短燃烧时滞,适当提高喷注压降都有助于缩短姿控发动机响应时间。阀门作动时间则尽量保持一致,以缩短起动响应时间。     

过氧化氢分解后燃气喷注压降对发生器非正常熄火的影响

通过试验和数值仿真分析了过氧化氢催化分解后燃气通过同轴喷嘴的喷注压降对过氧化氢/低浓度酒精燃气发生器非正常熄火的影响。研究表明：燃气喷注压降或喷注速度是影响发生器正常工作的重要因素,当燃气喷注压降为1.0MPa时,喷注速度过大,火焰无法在燃烧室内稳定,造成熄火;而当燃气喷注压降为0.2MPa后,喷注速度降低,火焰稳定并维持正常燃烧。     

同轴喷嘴自发激励高频燃烧不稳定性试验研究

为增进对液氧煤油火箭发动机同轴离心喷嘴燃烧不稳定性过程的理解,在大气环境下进行了同轴离心喷嘴的自发激励燃烧不稳定性试验。试验采用单喷嘴敞口模拟燃烧室,高温的氧气和空气混合物从同轴喷嘴的直流喷嘴喷注,高温的煤油蒸气从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注。通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生自发激励高频燃烧不稳定性,使用脉动压力传感器和黑白高速相机记录稳定和不稳定燃烧工况下的脉动压力和火焰。研究发现：气气同轴离心喷嘴的自发激励高频燃烧不稳定过程呈现“滞后”现象;不稳定工况下的火焰均为脱口火焰,火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离;气气同轴离心喷嘴燃烧不稳定性的发生原因可以被认为是因混合特征时间与声学特征时间相关。     

离心式喷嘴的内部流场

马歇尔空间飞行中心进行了一系列的实验和分析,对切向进入式中心支柱,即在液体火箭中使用的典型的离心式同轴喷嘴的内部流场作了大量的研究。支柱由聚丙烯物质制成,水用作模拟液体流入周围大气的背压中。测量了轴向压力分布,支柱中形成的气涡形状,液膜速度分布以及喷雾镶空间质量流分布。离心式喷嘴帽采用了两种形式进行试验,一为九孔,一为三槽配制。基本的支柱直径为7.620mm,长度为139.827mm,支柱出口直径的缩小或扩大也进行了测试。在任何情况下,气涡都延伸至支柱的整个长度上。液膜厚度表现出离心喷嘴进口设计的有效性,液膜簿则相应喷雾锥宽。液流的一元可交面积模型的建立可预测稳态流场,并且有助于更进一步了解支柱液流对燃烧稳定性的影响。     

液氧/液氢缩尺同轴离心式喷嘴试验

为了获得高性能的实用的大尺寸同轴离心式喷嘴的设计参数,分别用九个同轴剪切式喷嘴和九个同轴离心式喷嘴的多喷嘴燃烧室进行了试验,额定推力为10kN,室压为3.5MPa,混合比为4.5～7.5,氢的喷前温度为40～50K。通过试验,获得了每种喷注器的燃烧效率、室压分布、室壁热负荷和稳定性数据,并同以前的单喷嘴试验结果进行了比较。测量数据比较一致,并明显地显示出同轴离心式喷嘴和同轴剪切式喷嘴在燃烧特性方面的不同。     

某氢氧发动机推力室氢喷嘴烧蚀问题仿真分析

氢氧火箭发动机推力室内的喷注均匀性不但影响燃烧效率,还有可能影响喷嘴、面板及内壁等结构的可靠性.针对某型氢氧火箭发动机推力室多次出现固定位置两个氢喷嘴的烧蚀问题,采用CFD方法模拟了此发动机氢头腔及喷嘴的内部流动.通过分析流动特性,并给出量化对比结果,得出了以下两个结论:一方面此发动机推力室喷注面氢流量分布不均,而多次产生烧蚀的喷嘴是所有喷嘴中氢流量最小的两个;另一方面氢喷嘴出口环形间隙内流量分布不均,在所有喷嘴中产生烧蚀的喷嘴出口流速分布不均匀度是最高的.这两个因素共同作用下导致喷嘴局部混合比过高,是造成固定位置喷嘴局部烧蚀的重要原因.     

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...     

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...     

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。     

多排切向通道敞口型离心喷嘴的动态特性研究

从理论上对具有多排切向通道的敞口型离心喷嘴的动态特性进行了分析,推导出具有多排切向通道的敞口型离心喷嘴动态特性的计算公式。选取了具有两排、三排切向通道的敞口型离心喷嘴和普通敞口型喷嘴为算例,分别计算了若干种不同切向通道间距离的敞口型离心喷嘴和普通敞口型离心喷嘴的动态特性,算例计算结果表明,调整切向通道之间的轴向距离,可以使喷嘴滤除一定频率的扰动波。     

凝胶推进剂模拟液直圆管压降计算及误差分析

为了建立凝胶推进剂管路流动模型,分析了凝胶推进剂模拟液在直圆管内的流动特性,并对3种模拟液在第二和第三流动区内管路流阻的计算值与试验值进行了对比分析,结果表明：在第二流动区,用幂律流变方程推导的压降公式计算值与试验值有较好的一致性;在第三流动区,可以近似用牛顿流体压降公式计算管路流阻。此外还分析了压降的误差传播系数,结果表明流变指数和管径的误差传播系数最大。     

隔板喷嘴排列方式对推力室燃烧流场影响研究

针对液氧煤油液体火箭发动机,采用全尺寸六分之一网格,设置周期性边界条件的简化模型,计算得到了喷注器面径向隔板喷嘴交错排列时推力室内三维非稳态两相湍流燃烧流场分布,与全尺寸网格计算结果基本一致,验证了算法与简化模型的有效性,并与喷注器面径向隔板喷嘴直线排列时推力室燃烧流场计算结果进行了对比.结果表明,采用全尺寸六分之一网格,也可较好地数值模拟推力室内燃烧流场;径向隔板喷嘴交错排列,不但有利于延长煤油和氧气的混合时间,使混合更加充分,提高燃烧效率和燃烧室压力,而且可增加喷嘴空间分布的均匀性,使燃烧室中雾化粒子分布更均匀,从而提高温度分布的均匀性.     

用于PDPA校准的标准气溶胶发生器性能研究

喷注器、喷嘴是低温液体火箭动力系统的核心部件,其雾化特性对燃烧效率和燃烧稳定性有直接的影响。通过激光相位多普勒测量系统(Phase Doppler Particle Analyzer简称PDPA)可以获得不同设计参数下喷雾场的粒径分布等重要数据。标准气溶胶发生器是校准和测试激光相位多普勒测量系统的基准源,通过其产生的标准粒子可以调校和修正系统测量误差。结合液体火箭动力系统喷注器雾化测量特点和散射粒子特性,对比分析了几种典型粒子发生技术,最终选择振动孔式单分散粒子发生器作为PDPA系统校准的基准源,并提出了一种标准气溶胶发生器的分析评定方法,通过该方法分别获得了发生器的均匀性、球形度、精度和稳定性等技术性能指标,证明该型发生器在喷注器雾化光学测量校准应用中具有适应性和可靠性。     

平板缝隙溅击喷嘴冷流混合特性

作为变推力液体火箭发动机上环形缝隙式喷嘴基本特性研究的一部分,本文研究了溅板的加入,以及溅板几何尺寸的改变对喷雾场冷流混合特性的影响。结果表明,溅板的加入改善了流强与混合比分布。溅击角的增大和合成膜在溅板上撞击线的内移不同程度地提高了E_m值。合理的设计和准确控制喷注参数可以获得满意的流强与混合比分布。