煤油同轴喷嘴超临界燃烧与火焰特性实验研究

为研究煤油同轴离心喷嘴的超临界燃烧与火焰特性以及缩进比对燃烧及稳定性的影响,在煤油超临界条件下进行了不同缩进比喷嘴的燃烧实验,实验采用单喷嘴矩形燃烧室,空气和氧气混合物以气态从同轴喷嘴的中心喷嘴喷注,煤油以液态从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注,实验利用采样频率为36k Hz的彩色高速CCD相机成功观测到煤油超临界燃烧现象。煤油同轴离心喷嘴超临界燃烧火焰总体呈圆柱射流状;缩进比较大喷嘴的火焰图像中,喷嘴出口为半透明的"稠密"气状射流,未观测到明显的雾化破碎过程;喷嘴缩进比为1.62时火焰较窄且出现火焰团间歇性脱落情况;缩进比对燃烧和燃烧稳定性均有影响,存在相对最佳值使燃烧较稳定。     

氢氧发动机气液同轴式喷嘴流量特性研究

从实验和理论两个方面对氢氧发动机气液同轴式喷嘴的流量特性进行了研究。通过冷流实验测量了具有不同喷嘴缩进比的气液同轴式喷嘴流量随气液喷注压降的变化规律，考察了喷嘴内气液相互作用对喷嘴流量特性的影响，结果表明，气液相互作用对喷嘴气液流量都有一定影响，并且喷嘴缩进比愈大，影响也愈大。同时还提出了一个简化的气液同轴式喷嘴流量计算模型。理论与实验结果的比较证明了模型的合理性和可用性     

液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性的实验研究

对液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性进行了深入的实验研究，确定了不同缩进比的气液同轴式喷嘴工作时发生啸叫的参数范围、啸叫的频率和声压级分布，并考察了啸叫对喷嘴雾化特性的影响。结果表明；气液同轴式喷嘴的啸叫区间与喷嘴的结构尺寸有密切的关系．较大的喷嘴缩进比对啸叫有明显的抑制作用，啸叫的主要成分是高频噪声，这种喷嘴啸叫可能成为诱发发动机高频不稳定燃烧的重要因素。另外，实验还发现，在较低的气体喷注压降下，啸叫对喷嘴雾化有一定的强化作用。     

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。     

具有二次喷注孔带缩进长度离心式喷注单元流量特性的试验研究

利用自行设计的具有二次喷注孔、带缩进长度的双组元离心式试验喷嘴，对该种结构喷注单元的流量系数进行了测量。研究了喷嘴几何特性值和喷嘴结构参数对流量系数的影响，并对基于动量原理的理想流量系数进行了修正，从而使计算值具有更高的精度。     

缩进深度对同轴式喷嘴流量特性的影响

为研究同轴式喷嘴缩进深度对喷嘴流量和燃烧性能的影响，研究了缩进区内的流动、蒸发和燃烧过程，并建立了理论分析模型。对某同轴式喷嘴的计算表明，计算结果与热试数据相吻合。喷嘴缩进区内液氧蒸发量不超过1．5％。但缩进深度将引入不可忽略的缩进压力损失(本算例混合比为1时，缩进压力损失约为0．6MPa)，并导致喷嘴流量特性发生变化：氢氧喷嘴流量系数随缩进深度增大而减小；氢喷嘴流量系数随混合比增大而减小，氧喷嘴流量系数则反之。缩进区能显著改善气液速度比和动量比，因而有利于雾化、混合和燃烧效率的提高。     

自激振荡过程中喷嘴内部扰动的产生及传递机制

气液同轴离心式喷嘴是液体火箭发动机采用的极其重要的喷注单元类型。但其容易产生自激振荡，可能会诱发不稳定燃烧，严重影响发动机的研制，而目前对于自激振荡过程中喷嘴内部非定常流动过程的认识还十分有限。借助试验及数值仿真手段对液体中心式气液同轴离心式喷嘴自激振荡过程中液膜的运动形变轨迹、振荡的产生原因及压力扰动在喷嘴内部的传递过程进行了系统分析。研究发现：喷嘴内部流场的压力振荡是由于缩进室内部液膜的周期性堵塞作用产生的，且振荡最先发生于缩进室内部液膜外侧；此后，压力振荡会以一定的相位差通过气体环缝及内部离心式喷嘴向上游传递，从而引起环缝气体、中心气核压力发生相同频率的振荡；当自激振荡强度足够大时，便会引起集液腔压力振荡，且振荡频率与自激振荡频率一致。     

同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.      

气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了气核尺寸较大时气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态,与文献中气核尺寸较小时的喷雾形态进行对比发现气核尺寸不同时,该类喷嘴自激振荡的喷雾形态不同,气核尺寸较大时呈"圣诞树"型分布,气核尺寸较小时呈"串"型分布。气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的产生机理有显著影响,由于自激振荡产生机理的不同,喷嘴缩进长度对自激振荡的影响也不同,气核尺寸较大时自激振荡频率随着喷嘴缩进长度呈复杂变化特征,气核尺寸较小时喷嘴缩进长度对自激振荡频率没有影响。气液同轴离心式喷嘴自激振荡频率为2~4kHz,与燃烧室一阶振型接近,喷雾自激振荡可能会诱发燃烧室不稳定燃烧。     

液氧/煤油富氧预燃室的理论分析和试验研究

通过数值计算, 分析了富氧预燃室喷注单元的结构设计及其对燃烧的影响, 并使用具有三个喷注单元的缩尺预燃室, 对液氧／煤油的富氧燃烧进行了试验评价。数值计算和试验表明, 燃气温度的均匀性与燃烧室长度有关; 对带缩进长度和二次喷注的喷注单元, 应合理地选择缩进长度及缩进室的混合比; 富氧预燃室能正常可靠地点火和工作, 能满足大范围推力调节的要求。     

一种考虑齿轮副连续啮合过程的接触有限元动力学分析方法

在系统分析齿轮副连续啮合过程不同典型啮合状态特点的基础上,提出了一种可以考虑齿轮副连续啮合过程中啮合齿对变化,受载弹性变形以及滑动摩擦等影响因素的接触有限元分析方法.利用该方法对三种考虑不同因素的齿轮副模型进行了对比分析,并得到了各种因素对齿轮副连续啮合过程动态传递误差及动态接触力特性的影响.研究表明:该方法可以真实模拟齿轮副连续啮合过程中单、双齿对啮合及其交替啮合状态的动力学特性,包括滑动摩擦引起的节点冲击,受载弹性变形引起的啮入、啮出冲击以及时变刚度等激励特性;并可以得到啮入、啮出冲击的大小及作用时间,以及滑动摩擦和齿廓修形对动态啮合特性的影响;动态啮合特性分析结果与齿轮副连续啮合状态的特征完全吻合.      

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。     

“凹槽导流片式”机匣处理的结构尺寸优化研究

针对一种可提高压气机裕度而又不牺牲效率的新型处理机匣,进行了较为系统的几何尺寸优化研究。借助单级轴流压气机实验台,详细地研究了轴向叠合量、容腔尺寸及内置导流片数目对压气机性能的影响,归纳出若干该型处理机匣的设计准则,具有工程实用价值。     

旋流杯近场液雾SMD的空间分布模型

旋流杯液雾的空间分布特性对航空发动机燃烧室燃烧性能至关重要。基于旋流杯燃油雾化的物理过程及其近场液雾索太尔平均直径(SMD)空间分布呈“双峰”或“三峰”分布的基本特点,建立了旋流杯近场液雾SMD空间分布的半经验模型。该模型将旋流杯近场液雾分为中心区和边界区,其中中心区液雾采用离心喷嘴与内旋流的混合型雾化模型,边界区液雾采用文氏管液膜的气动雾化模型,同时将液雾SMD及SMD空间分布与正态分布函数相结合。根据空气压降不同,分别对压力雾化主导及气动雾化主导两种形式的旋流杯液雾SMD空间分布模型进行了验证,并对供液压力及空气压降的影响规律进行了预测分析,预测结果表明:随着供液压力和空气压降的增大,旋流杯液雾SMD呈现整体降低的趋势。     

往复式汽油直喷发动机燃油喷雾特性研究

通过试验研究了高压燃油喷射系统和涡旋喷油器的喷雾特性,在不同喷射压力、背压压力和喷油持续期条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的雾态燃油进行了喷雾贯穿距离、喷雾锥角、喷雾远端燃油发展速度和液滴特性等参数的测量.试验结果表明在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;然而在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.低背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的远端,而在高背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的中部.      

不同喷口扩张角下离心喷嘴雾化锥角特性研究

为研究扩口式离心喷嘴的雾化锥角特性,对5个不同扩张角度的喷嘴展开了试验与数值计算研究。试验以RP-3航空煤油为工质,采用高速摄影对油雾场进行拍摄,Matlab二值化处理得到雾化锥角;数值计算采用VOF(volume of fluid)方法结合RSM(reynolds stress model)湍流模型。研究表明：随着扩张角的增大,锥角不是单一的变化规律,而是呈先增大后减小的趋势,且不同油压差下锥角峰值及其对应的扩张角有所差异。揭示了随扩张角增大,扩张段内液膜呈现附壁/未附壁两种流动模态。结合试验与理论计算结果分析,发现供油压差增大后,60°扩张角会限制锥角的大小,使锥角峰值出现在90°扩张角处。然后比较100°、120°扩张角的气液两相图,发现扩张段内的射流使附近空气与其同方向运动产生回流区,而回流区与空气核相互作用反过来又影响着射流的偏转幅度,决定液膜未附壁时的锥角值。最后比较发现平口喷嘴的雾化特性决定了两种模态的出现与否,解释了已有研究中规律不一致的原因。     

液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性仿真研究（液体火箭推进）

为了实现对不同工况下液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性的数值模拟研究,采用网格自适应加密技术、耦合的Level-set和Volume of Fluid（CLSVOF）方法对气液界面进行捕捉,利用改进延迟分离涡模拟（IDDES）方法模拟湍流。分析了液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度以及流场特性。通过观察分析得到：随着气液相互作用的增强,液膜破碎模式依次经历主导表面波发展导致的液膜破碎、Rayleigh-Taylor（R-T）和Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性引起的液膜破碎,以及气动破碎模式。随着气液动量通量比（Momentum Flux Ratio,MFR）的增大,喷雾锥角和破碎长度逐渐减小且呈渐进趋势,发现无量纲喷雾锥角和破碎长度均与MFR_^-A成正比例关系。相同液膜破碎模式而不同工况时,主要流场特征一致。     

喷嘴形式对幂律型非牛顿推进剂雾化特性的影响

为寻求幂律型非牛顿推进剂有效的雾化喷嘴形式,采用与该推进剂流变特性基本一致的水基模拟液对直流式喷嘴、撞击式喷嘴、剪切撞击式气动雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴和离心式喷嘴进行了雾化特性实验,比较了喷嘴形式及其结构参数对雾化特性的影响.结果表明:撞击式喷嘴是一种有效的雾化形式,撞击角度和射流速度是主要影响参数;气泡雾化喷嘴是一种高效的雾化方法,在约为4%的气液比下使水基模拟液破碎并产生液滴.