基于PLIF技术的航空煤油横向射流穿透深度研究

为了研究动量比、韦伯数对射流穿透深度的影响,利用激光诱导荧光(PLIF)技术对航空煤油的穿透特性进行了试验。液态航空煤油通过直径为0.5mm的直射式喷嘴喷射入横向气流,Nd:YAG激光器产生266nm激光用于激发煤油诱导荧光。试验空气压力范围为0.3~0.6MPa,温度358K,动量比范围为10~40,韦伯数范围为170~340。试验结果表明:不同压力下,穿透深度随动量比增加而增加;在本文的工况范围下,韦伯数对射流穿透深度无显著影响。通过对试验数据的分析处理,获得了射流穿透深度关于动量比、韦伯数和轴向距离的经验关系式。     

液氧/甲烷同轴喷雾及火焰稳定的试验

介绍了液氧和气态甲烷的低温同轴喷雾燃烧试验,试验使用了光学诊断方法如阴影法和火焰分光光谱法记录了试验中的喷雾和火焰信息,讨论了不同燃烧室压力和喷注无量纲数如韦伯数(We)和气液动量流率比下的雾化和火焰稳定情况。试验结果表明,燃烧室压力对射流雾化和火焰稳定有显著影响,增加燃烧室压力有利于火焰稳定于靠近喷注器面的地方,研究中没有发现火焰吹离距离和韦伯数之间有明显的关系式。液氧射流核心长度随气液动量流率比的增大而下降。雾化质量对液氧/甲烷同轴喷雾的火焰稳定性有明显的影响。     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

气液交叉射流动力学行为的基础研究

为了模拟燃油在高速喷嘴内的快速蒸发混合过程,基于Eulerian—Eulerian方法,用RNGk一8湍流模型建立了高速喷嘴内两相流流动的数学模型,数值模拟了高速喷嘴内气液两相交叉射流的流动规律。改变气液动量比和韦伯数等条件下的两相流场计算结果表明：动量比增大3倍时横向穿透深度略有增大;而较大的韦伯数能起到强化横向射流的破碎效果。计算结果与同条件下的试验结果相符合。结果为研究HiTAC快速速喷嘴内可燃混合气的快速形成奠定了基础。     

水下超声速气体射流线性稳定性研究

水下超音速气体射流稳定性是水下推进、水下焊接技术研究的焦点领域。通过建立线化小扰动气液混合流体控制方程,开展水下超音速气体射流线性稳定性研究。控制方程的形式表明射流基本流分布(速度与浓度分布)、雷诺数、无量纲密度、无量纲粘度能够影响水下超音速气体射流稳定性。使用Chebyshev配置点法对控制方程进行求解。计算结果表明射流基本流分布以及无量纲密度是影响射流稳定性的主要因素。射流基本流分布越平缓,射流最大扰动增长率越小;无量纲密度越小,即气液密度差越小,射流最大扰动增长率越小。随雷诺数增加,射流最大扰动增长率先减小后增加,当雷诺数大于105时,射流最大扰动增长率趋于常数。对不同无量纲粘度,射流扰动增长率-特征波数曲线高度重合。同时分析了射流不同截面的稳定性特征,计算结果表明射流最大扰动增长率随距喷口距离增加而减小。这些结论有助于理解水下超音速射流物理过程,为实际应用提供理论指导。     

扩张型面内超声速气流中液体横向射流穿透深度试验研究

面向未来冲压旋转爆震发动机应用,本文设计了带隔离段及等直燃烧室的矩形带扩张型面,开展常温常压吸气式超声速风洞中的液体横向射流试验,借助高速摄影、阴影方法研究来流参数、喷孔参数对喷注雾化穿透深度及液雾扩展效果的影响。研究表明：隔离段到燃烧室的过渡构型在气相流场中产生了较强的膨胀波和压缩波,直接扰动射流的二次雾化,液体射流破碎、雾化和液雾掺混的过程受到影响。总温总压一定时,来流马赫数增大、喷注压降增大均可提高液气动量通量比,从而增大射流穿透深度。同样的穿透深度情况下,利用小喷孔高压降喷注方式可以较为明显地减小激波角度。与增大孔径相比,同样的流量条件下增大射流压降可有效增加穿透深度提升程度,获得更好的液雾掺混效果。     

初始直径对单液滴破碎特性影响的试验

为了获得均匀横向气流中单液滴变形、破碎特性,采用高速摄像机对液滴的变形、破碎过程进行了测量.通过试验获得了液滴初始直径对液滴破碎模式、变形时间、变形与破碎总时间、无量纲索太尔平均直径的影响.在试验设计工况下所得结果表明:液滴破碎临界韦伯数随液滴初始直径的增加而增加;液滴初始直径增加使得液滴由单一的破碎模式转变成多种破碎模式共生的混合型破碎模式;相同韦伯数下,在初始直径尺寸较大的区域液滴变形时间、变形与破碎总时间都比尺寸较小的区域要大,变形时间随韦伯数增加呈先减小后不变的线性变化关系,而变形与破碎总时间随韦伯数增加呈先减小后增加再减小的线性变化关系;液滴初始直径对无量纲索太尔平均直径的影响能力要强于气液初始相对速度对其影响.      

接力喷嘴不同径向高度和方位角对加力燃烧室 热射流点火性能的影响

为了研究不同热射流点火状态下的燃烧性能,针对采用波瓣混合器的某型航空发动机加力燃烧室,基于N-S方程建立了3维数值计算模型,得到了接力喷嘴径向高度和方位角对加力燃烧室流场、燃烧特性和流阻特性的影响规律。结果表明:随着径向高度增加,热射流火焰传播距离逐渐减小,传播到稳定器下游区域从内涵逐渐向外涵移动,且稳定器壁面高温分布区域逐渐减小;随着方位角增大,热射流火焰径向穿透深度逐渐增大,且稳定器壁面高温区域逐渐减小,在方位角α=0°和α=5°时稳定器壁温最高,为1450 K左右;在加力燃烧室出口截面上,径向高度和方位角对无量纲总压影响不大,整体小于0.005。     

横向气流中的液体圆形射流破碎实验

采用了高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流破碎过程进行了研究.实验中使用的喷嘴喷孔直径为0.3 mm,研究液体工质采用水,液气两相动量通量比的范围为10.2～80.结果表明,射流表面初始波动是蛇形波动,在气动力作用下逐渐发展成螺旋状表面波,最终增长到一定程度使得液体断开.随着气流速度的增加,气动力在射流破碎过程中将取代表面张力而占据主导地位,而且螺旋状表面波幅值会随气流速度增加而增加.射流运动轨迹脉动幅度随气流速度增加而增强,随射流速度增加而减弱.同时给出了射流破碎位置坐标与液气两相动量通量比之间的关系式,以及射流液柱在破碎点之前类似抛物线的轨迹曲线公式.      

火焰射流在横向气流中喷射特性的试验

研究了火焰射流垂直喷射到横向气流中的喷射特性.试验在常温常压下进行,研究了横向主流和射流流动参数对火焰射流穿透深度和温度特性的影响规律,得到了火焰射流温度分布随主流速度的变化规律及射流透入深度与动量比之间的经验关系式.研究结果表明,沿着射流轨迹方向射流温度逐渐降低,射流边界变宽.火焰射流的穿透深度随动量比的增大而增大.在相同的动量比下,火焰射流的穿透深度比常温射流的穿透深度大.      

超声速气流中凹腔对液体射流穿透深度的影响

采用高速摄影对凹腔上游液体垂直射入超声速气流中的穿透深度展开了试验研究。进行了不同喷注位置和液气动量通量比条件下,平板射流和带凹腔射流的试验,研究了凹腔对射流穿透深度的影响。试验发现,射流穿透深度在凹腔前缘降低,射流边界曲线向凹腔内弯曲;射流穿透深度在凹腔后缘增大。凹腔对射流液雾的卷吸作用使穿透深度降低,剪切层撞击凹腔后缘形成的高压波传递使得穿透深度在后缘增大。减小液气动量通量比是增大凹腔对射流卷吸作用的途径之一。喷注在凹腔上游3倍凹腔深度的距离上,凹腔对穿透深度降低最大。      

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

液滴二次雾化的直接数值模拟(英文)

液滴破碎现象是喷雾燃烧室中常见而且重要的现象。对液滴在气流中的变形和破碎的过程和规律进行了数值模拟。对液滴和气流采用了二维非稳态轴对称Navier-Stokes控制方程,SIMPLER方法进行流场求解,结合Level Set方法追踪气液界面。计算得到了四种典型的破碎模式:振荡,袋状破碎,薄片剥离破碎和剪切破碎。研究了四个无量纲数对雾化结果的影响,分别是韦伯数(Weg)、液体雷诺数(Rel)、气体雷诺数(Reg)和密度比(γ)。结果发现韦伯数是最重要的控制液滴雾化的参数,液体雷诺数和气体雷诺数次之。计算参数范围将密度比扩展到1000,发现了被研究者称为"多模式破碎"的破碎模式,这种破碎模态包含"剪切"和"刺穿"相继发生的两种破碎,计算结果与实验现象定性相一致。     

三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

液体射流撞击液膜振荡行为的实验研究

液体射流撞击过程是液体火箭发动机常见的高效雾化方式。为了进一步探究液体射流撞击雾化过程,采用高速摄像仪和图像处理技术对两股液体射流撞击液膜的振荡行为进行了实验研究,考察了射流韦伯数(21≤We≤1356)和撞击角(2θ=60°,90°,120°)对液膜振荡的影响。结果表明,随着射流韦伯数增大(We250),撞击液膜会从竖直稳定模式转变为振荡模式,促进液膜破裂和雾化。增大撞击角能加剧液膜振荡和增加雾化角。2θ=60°和90°的液膜振荡区间为250We400,2θ=120°的液膜振荡区间为We250,无量纲振幅的时均极大值约为5。结果揭示了随着液体射流速度的增大,射流不稳定性的发展会引起撞击点的动量不平衡,进而形成液膜振荡。此外,液膜向下传播时与空气界面间的Kelvin-Helmholtz不稳定性也促进液膜振荡。     

冷气预旋系统温降与流阻特性的试验

简化发动机冷气预旋系统,对特定结构的两种冷气进口预旋角度的转静盘腔系统,开展冷气温降和流阻特性的试验研究.建立预旋系统旋转试验台,在旋转部件表面采用微型压力传感器测量压力,经过标定校正后获得预旋系统的出口总压.获得了旋转雷诺数、无量纲质量流量对预旋系统温降和流阻特性的影响规律.研究结果表明:对两种角度的预旋喷嘴,无量纲温降随无量纲质量流量的增大先增大后减小,随旋转雷诺数的增大而减小;无量纲压降随无量纲质量流量的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而减小.      

燃油射流横流穿透深度试验和数值模拟

采用激光粒子成像测速仪(PIV),试验研究了不同动量比下燃油射流在横向空气流中的穿透深度特性。同时,采用数值计算方法,对射流穿透特性进行了模拟,并将试验和计算结果,分别与已有的经验关系式,及考虑气动韦伯数影响修改后的关系式进行对比。结果表明:燃油射流上边界深度与幂指数关系式较吻合;采用VOF两相流模型能较准确地模拟出燃油射流的喷雾核心深度;修改后的关系式与不同燃油-空气动量比范围下的喷雾核心深度较吻合;燃油-空气动量比和气动韦伯数,是影响燃油射流横流穿透深度的主要参数。     

侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布试验

在常温常压、来流马赫数为0.182及液气动量比为10～70的条件下,以水为雾化介质,采用激光片光照相法开展了侧喷式一体化支板火焰稳定器的液雾分布特点研究,并探讨了液气动量比及喷射位置对液雾分布轨迹的影响规律。研究表明:侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布的外轨迹与横向射流类似,内轨迹受稳定器回流区卷吸作用的影响而弯向回流区,且在低液气动量比条件下影响显著。液气动量比是影响一体化支板火焰稳定器喷雾内外轨迹的重要因素,液气动量比增加,液雾穿透深度增加。喷射位置对液雾外轨迹的影响较小,但对内轨迹影响显著;过近或过远的喷射距离均不利于回流区对液雾的卷吸,这与液雾喷射和稳定器的近距耦合有关。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。