水力脉冲射流特性室内实验和数值模拟

水力脉冲射流是提高深井机械钻速的一种经济有效的方法,在分析水力脉冲空化射流发生器调制脉冲射流机理的基础上,采用室内实验和数值模拟两种方法对水力脉冲空化射流发生器所产生的脉冲射流特性进行了研究。着重研究了入口流量和叶轮叶片结构对该工具产生的脉动压力振幅的影响。室内实验和数值模拟结果表明：在同一叶轮结构下,随着入口流量的增大,脉动压力振幅呈增大趋势。在同一排量下,采用3叶片叶轮结构的工具调制出脉冲射流的脉动压力振幅较大。因此建议在现场试验条件允许的情况下尽可能地增大泵的排量,并且重点对3叶片叶轮结构的工具进行现场试验研究。     

多射流喷射器的压电激励特性

采用数值模拟方法研究了多射流喷射器的压电激励特性，获得了喷射器的压力、流量和速度波动特性。研究结果表明:多射流喷射器内的压力脉动主要受壁面运动特性影响，压力振幅随激励频率增大而增大；而封闭腔内的压力脉动与壁面位移造成的容积变化有关，压力振幅不随激励频率变化，因此基于封闭腔假设的理论计算方法不能准确预测喷射器的压力脉动。在多射流喷射器内，入口和出口的流量振幅不相同；不同位置的压力振幅分布不均匀导致了不同喷孔的速度振幅存在差异，并对射流形态产生影响。      

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

反压条件下离心喷嘴动态特性实验

喷嘴动态特性的好坏,对液体火箭发动机燃烧稳定性具有重要意义。但由于缺乏高效的外部周期性脉动流量发生器,特别是在高反压环境下,引起管路来流较强振幅的压力、流量脉动变得更加困难。为解决上述问题,研制了利用惯性驱动可在高反压环境下产生强正弦信号的脉动流量发生器,在高反压环境下可激起高达15%以上的压力振幅;通过采用电导法测量离心喷嘴液膜厚度,从而获得脉动流量,分别在反压为0.5、1.0和1.5 MPa的环境下对其不同脉动频率下的动态特性进行实验研究,研究表明：反压的增加对离心喷嘴流量脉动具有抑制作用。对连续的喷雾图像进行互相关处理得到其不同反压环境下的脉动速度场,结果表明：随着环境压力的升高,其喷雾场速度传递函数振幅呈下降趋势,与反压对喷嘴传递函数的影响规律一致。     

隔离段内激波串受稳态和脉动背压影响的数值研究

本文基于非稳态雷诺平均的Navier-Stokes方程,探究在来流 条件下隔离段内激波串在稳态背压、脉动背压与隔离段自激振荡共振状态下的振荡特性。结果表明：隔离段激波串的自激振荡频率受稳态背压大小的影响,激波串在9倍和10倍来流静压的稳态背压条件下会产生频率分别为506Hz和454 Hz的自激振荡,且激波串前缘位置呈周期振荡。 在脉动背压条件下,激波串运动受脉动背压和自激振荡的共同作用,产生多个主导频率;当脉动背压振荡频率与自激振荡频率相近时,激波串运动达到共振状态,主要体现在激波串振幅的增强,振幅大小可以达到管道长度的33.5%,而受到100Hz的低频脉动背压影响时,振幅大小为管道长度的24%;同时共振状态下隔离段内上游的压升较受100Hz低频脉动背压影响的受迫振荡状态更高;出口脉动背压的相位变化对共振状态下激波串运动振幅几乎没有影响,表明激波串的自激振荡可能存在“自适应”特征,能匹配激波串受迫振荡的相位变化。     

射流管伺服阀前置级压力特性

为分析射流管伺服阀射流管喷嘴高压射流区的特性,建立了射流管伺服阀前置级数学模型,得到了射流管偏移值、射流管喷嘴半径和接收孔半径对接收器压力分布、喷嘴出口流速及接收器的左右孔恢复压力的影响规律.流场分析发现射流管喷嘴的高速射流出口处容易产生旋涡,且存在环状负压效应.结果表明:高压射流状态下,射流管喷嘴半径增大,恢复压力增加;接收孔半径增大,恢复压力降低.接收孔半径与射流管喷嘴半径之比的最佳取值区间为[1.3,1.5].当射流管偏移值增大时,在偏移值增大一侧,射流管与接收孔之间的有效流体接收面积增大,射流管与接收孔之间的流体旋涡扩大,内部流场环状负压效应增加,接收孔恢复压力降低.      

纳米颗粒胶体射流抛光喷嘴的流场仿真研究

对空化射流抛光喷嘴的流场整体进行了仿真分析.对锥形射流喷嘴与旋转射流喷嘴的流场进行模拟计算,得到流场中速度与压力分布图,工件表面处速度和压力都呈现M形分布.旋转射流因为具有旋转速度而有更好的掺混能力,空化能力更强.综合比较,旋转射流喷嘴更适合空化射流的应用.     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

基于Hartmann谐振腔的雾化喷嘴声场流场特性

采用试验与数值模拟相结合的方法研究了谐振腔孔径、谐振腔深度、谐振腔与射流喷孔距离以及喷嘴压比（NPR）对基于Hartmann谐振腔（HRT）的气动式超声波雾化喷嘴外部流场及声场的影响.结果表明:当喷嘴压比大于2时,喷嘴压比增大对声场频率影响较小;当喷嘴压比小于2时,谐振腔依然能够产生高频声场,但其频率较高喷嘴压比时产生的小.当谐振腔深度小于1倍射流喷孔孔径时,此时高频声场主要由射流的不稳定性引发,声场频率与谐振腔深度经验关系式此时并不适用;当谐振腔孔径大于1.75倍射流喷孔孔径时,声场频率大小有降低趋势.谐振腔与射流喷孔距离与声场频率关系紧密,当谐振腔放置在自由射流压力增大区域时,才可获得理想高频声场.      

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.      

水下超声速气流流场非定常特性研究

上浮水雷在工作过程中环境压力大幅度变化，针对上浮水雷火箭发动机具有三种不同工作状态（欠膨胀、完全膨胀、过膨胀）的特点，采用VOF两相流模型，建立了水下火箭发动机在不同工作状态喷射流发展的轴对称计算模型，分别在来流速度0m/s和50m/s两种工况下，研究了水下发动机在不同工作状态时喷射流发展规律及流场脉动特性。结果显示，在静水条件下，欠膨胀工况时颈缩发生位置距喷管出口较远，流场压力和喉部流量没有发生脉动现象，其它工况时颈缩发生位置距喷管出口较近，完全膨胀工况和过膨胀工况喷管出口最大压力振幅分别为5.5MPa，7MPa；喷管喉部流量振动幅度约为5.2%，32.8%；在有流速条件下，三种工作状态发生颈缩、胀鼓和回击现象的位置距离喷管出口较远，完全膨胀喷管出口最大压力振幅为2MPa，喷管喉部流量未发生脉动特性，过膨胀工况喷管出口最大压力振幅6.1MPa，喉部流量振动幅度30.4%。     

含气率对液力透平影响的非定常分析

为了研究含气率对液力透平内部压力的影响，以比转速为84.5的单级单吸离心泵反转作液力透平并对其内部流场进行CFD瞬态数值模拟，获得了气体在液力透平内的分布规律以及气液两相介质下透平内部流场的压力脉动变化规律。结果表明:从蜗壳进口到叶轮出口,含气率逐渐增加，含气率等于0.2时蜗壳出口、叶轮进口气体的尾迹效应明显，分布不够均匀。叶轮出口有气体聚集现象，气体体积分数越高，聚集现象越明显。进口含气率对透平蜗壳、叶轮内各点的相对压力分布影响明显，各点的相对压力随着透平进口含气率增加而降低。含气率小于0.05时其对透平内各监测点的压力脉动主频幅值影响不大，含气率大于0.05后其对液力透平内各监测点的压力脉动主频幅值有影响，含气率越高，压力脉动主频幅值越小。不同含气率下液力透平蜗壳周向、径向以及叶轮内的压力脉动主频均等于叶轮叶片的转动频率。      

槽道进气角和转折角对叶栅流场特性影响的研究

数值模拟了槽道进气角和转折角对开槽叶栅流场特性的影响.结果表明,槽道出口射流可以吹除叶片吸力面尾缘附面层分离气流,改善叶栅性能;存在使叶栅性能提高最大的最佳槽道进气角,随槽道进气角增大,槽内气流将因槽道几何转折角增大而增加流动损失,从而减小气流出口速度,降低其作用效果;当槽道进气角较小时,由于槽道进出口两端静压差减小,槽道对气流的加速作用下降,射流的作用效果也将降低.      

超临界正癸烷同轴剪切喷注热声振荡数值模拟

以液体火箭发动机同轴剪切喷嘴燃烧室作为研究对象,对超临界压力下低温正癸烷向高温正癸烷喷注过程中,由于高温正癸烷被快速冷却导致密度剧烈变化进而引发的热声振荡现象进行数值模拟。研究了出口压力、高温正癸烷流动速度与温度、低温正癸烷喷注速度与温度对热声波振幅与频率的影响。结果表明：当高温正癸烷被快速冷却时,其自身体积快速收缩,同时由于附近高温正癸烷的惯性导致压力先增大后减小,快速交替变化,从而产生热声波在高温正癸烷中传播。热声波振幅与频率的大小主要由高温正癸烷在不同压力与温度下的热物性决定。热声波的频率随着高温正癸烷声速增大而增大;热声波的振幅由高温正癸烷的相对压力系数与温度变化率共同决定。     

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

多喷嘴氢氧燃烧二元加热器设计与仿真

为了获得均匀的喷管出口参数,设计了两种喷注形式的多喷嘴氢氧燃烧二元加热器和一个拉瓦尔喷管,利用CFD仿真软件对其进行了流场计算,研究了同一工况下不同喷注器构型、速度比和喷嘴压降对喷管出口均匀度的影响.结果表明:喷注器构型对出口气流的均匀程度影响不大,它主要影响喷注器的温度;氢气与空氧混气的速度比越低,出口均匀性越好,空氧混气喷嘴的压降越低,出口均匀性越好;拉瓦尔喷管收缩比对出口均匀性有很大影响,设计时应尽量使两方向收缩比相近.      

熔融沉积快速成型喷头有限元辅助设计

对两种典型结构熔融沉积快速成型喷头中材料的压力场和速度场进行了有限元分析和实验验证.结果表明,外置喷嘴出口压力骤降,出丝阻力增大;喷嘴外置式喷头由于融化罐与喷嘴材料流动速度矢量的极度不一致,材料补充不及时,导致断丝现象;一体化喷头融化罐内材料流动速度矢量和喷嘴出丝方向一致,保证出丝顺畅.