喷咀雾化液滴尺寸分布的研究

本文试验研究了喷嘴压力降、空气流速、燃油性质对液雾尺寸分布(以罗辛—拉姆勒分布中的尺寸分布参数N为代表)的影响。结果表明,液雾的质量中间直径(MMD)和尺寸分布参数N将随着喷嘴压力降、空气流速、燃油性质而变化;液雾尺寸分布参数N随平均直径的降低而降低。根据大量的试验数据和严格的数学推导得出,液雾质量中间直径与索太尔平均直径之比(MMD/SMD)并不是常数,而是随着液雾尺寸分布参数N而单调地变化。比值MMD/SMD可以用来描述不同液雾尺寸分布的均匀性。     

简单直射式喷嘴在均匀横向气流中喷雾特性的试验研究

本文对简单直射式喷嘴在均匀横向气流中,喷雾特性随空气速度、喷嘴压降和喷孔直径的变化进行了试验研究。在均匀流场中,试验结果表明这些影响因素是相关的。在经验关系式中,这些项的指数不是常数。根据大量的试验数据,推导出索太尔平均直径的经验关系式如下: SMD∞Va~(-1.59-0.0044ΔP_f-0.1d)·ΔP_f~(-0.13-0.025d+0.34Mα)·d~(0.36-0.55Mα-0.0032ΔP_f) 对于小孔径喷嘴,尺寸分布指数N(R-R分布)随着空气速度的增加,先减小到某一最小值后,又开始增大,而对于大孔径喷嘴,N值随空气速度增加而不断下降。随着孔径和喷嘴压降的增加,N值总是下降的。 试验证明,简单直射式喷嘴在横向气流中的雾化特性是压力露化特性(在低空气流速时)和空气雾化特性(在高速气流流速时)的综合。     

空气雾化喷嘴后方燃油浓度分布的研究

本文通过用于一短环形高压燃烧室上的空气雾化喷嘴的研制,进行了大量实验,分别研究了雾化空气速度、燃烧室压力、气液比、介质种类和几种不同构造参数的喷嘴结构对空气雾化喷嘴喷雾锥角与后方燃油浓度分布的影响,对高压下空气雾化喷嘴后方燃油浓度分布研究这一新课题做了有益的探索。     

气泡雾化喷嘴水平喷射的雾化特性研究

研究了水平喷射、端面注气方式的气泡雾化喷嘴结构及工作参数对雾化及流场特性的影响.试验全部在常温常压下进行,液体采用水,雾化气为压缩空气.用2D PDA测量了液雾的平均直径尺寸分布和速度分布.液体喷射压力变化范围200~600 kPa,气液比变化范围4%~10%左右.试验研究了端面注气方式下,注气孔孔径及数目、混合管长度、液体流动状态及工作参数对雾化特性的影响.结果表明,水平喷射的气泡喷嘴,注气孔的尺寸及数目均对雾化特性产生影响;混合段存在一最佳值范围,在此范围内,喷嘴可获得高的雾化质量;液体旋转流动对雾化特性无显著影响,但可影响两相流动中气泡的分布.     

内混音速空气雾化重油喷嘴的试验研究

在横向气流中直射喷嘴雾化研究及超音速气流中喷嘴雾化研究的基础上,针对工业窑炉中烧嘴以重油(通常为油渣)工作的问题,设计和试验研究了内混音速气流两次空气雾化重油喷嘴,从原理上解决了喷嘴雾化细度(燃烧完全)和火焰长度(刚性)之间的矛盾。文中得出合理选择这种喷嘴的结构形式、几何尺寸以及混合腔压力,同时得出很好的雾化细度以及要求的火焰长度。结果表明,混合腔压力与供气压力之比应在0.60～0.70之间,所需压缩空气的压力为0.4MPa,所设计的喷嘴已投入使用。     

激光散射测量喷嘴液雾特性的研究

本文概括介绍了近期来我们对激光测雾技术本身的研究结果,包括液雾特性(索太尔平均直径、液滴尺寸分布指数)随喷嘴压力降的变化,液雾特性随空气流速的影响,遮光率随喷油流量(喷嘴压力降)变化的经验概括式,遮光率对所测液雾特性的影响,所测液雾特性随激光束的轴向位置、径向位置及角向位置的变化等。本文最后指出了在激光散射测雾技术上急需解决的一些问题。     

喷嘴雾化研究

本文概括本试验室所完成的喷嘴雾化研究成果,重点放在最近几年来在国际学术性刊物上和国际学术会议上发表的研究文章,包括基础性的研究,如液滴尺寸分布、液雾特性随喷嘴下游空间的变化、初始雾化的研究;应用性的研究,如高反压下的喷嘴雾化、超音速气流中的雾化等;也包括激光测雾技术的研究。     

气泡雾化喷嘴的试验研究

进行了组不同结构形式的气泡雾化喷嘴的试验研究，初步试验结果表明：这种新型喷嘴对液体介质粘度不敏感，在小气液比条件下获得了很好的雾化效果，雾化性能明显优于从国外引进的某些空气雾化喷嘴，该成果已于１９９３年２月７日被授予中华人民共和国实用型专利。     

两相流乳化型细水雾喷嘴雾化特性研究

为了研究消防领域细水雾灭火系统的关键部件--细水雾喷嘴的雾化结构形式,以空气和水为介质,利用马尔文激光粒度分析仪对两相流乳化型细水雾喷嘴的雾化特性进行了详细的研究.分析了该型喷嘴的工作特点,研究了不同供水压力、供气压力及气液比对喷嘴雾化特性的影响,为细水雾灭火系统及其喷嘴的设计方法和检验标准提供了依据.试验结果表明:该结构喷嘴的雾化性能完全满足细水雾灭火系统的性能要求.     

加热空气流中液雾尺寸的测量及液雾蒸发的实验研究

在运用激光散射测雾技术对加热气流中的蒸发液雾进行尺寸测量时,由于激光光路上温度及液雾蒸汽形成的浓度梯度,激光被折射而偏转,测量结果受到严重影响。本文作者研究了马尔文(Malvern)测雾仪的特点及液雾尺寸分布的数学特性,用截断法初步解决了这个问题。本文应用这一技术,对装有直射式喷嘴的直筒式蒸发管出口处液雾特性进行了实验研究。蒸发管进口气流温度为283～533K,压力为1atm。结果表明:蒸发管出口处液雾索太尔平均直径SMD和R-R尺寸分布指数N随气流速度增大而均减小,随气流温度提高而均增大。保持气流温度、速度不变,提高蒸发管气液比,SMD和N也均增大。     

双组元离心式喷注器雾化性能的大涡模拟数值研究

基于气液两相体积混合分数建立某型双组元离心式喷注器内部流场及雾化场的数学模型,并采用大涡模拟(LES)方法对其雾化性能进行研究.计算结果表明,喷注器外路喷射速度低于内路喷射速度,内外两路同时喷射时,两路相互影响,雾化锥角增加;随着喷注器出口直段长度的增加,内外路喷射速度和流量系数均呈单调下降趋势;随着喷注压降的增加,喷注器流量系数和出口喷射速度随之增加,而雾化粒度不断降低,雾化锥角不断增大.     

木星外磁层结构的定态模式

本文建立了描述木星外磁层结构的磁流体力学方程组,在这一方程组中考虑了磁层转速和等离子体片倾角(等离子体片与旋转赤道平面的夹角)随径向距离的变化。在不同条件下对此方程组求解,得出了等离子体片中各变量(磁场、压力、温度、质量密度和电流密度)的空间分布表达式。结果表明:各变量随Z(离开赤道平面的距离)的变化可用两种函数形式表示,一种是双曲线函数,这种分布形式与观测结果相符合;另一种是三角函数形式。各变量随径向距离r的关系是:压力P_o(r)～r-3.4,电流密度i_o(r)～r-1.7.对于绝热过程,密度ρ_o(r)～r-2.04,温度T_o(r)～r-1.36;对于等温过程,密度ρ_o(r)～r-3.4,温度T_o=常数。最后讨论了木星磁异常对外磁层结构的可能影响。      

基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析

推进剂贮箱是航天器系统的重要部件，用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下，贮箱内部液面呈弯曲状，掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱，采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究，分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响，得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明，球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大，随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析，为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.      

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中，推进剂射流失稳与雾化是起始环节，会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究，但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟，分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响，阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现，所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率，其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大；在流动拓扑结构影响下，液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外，UFC主要产生拉伸应变率，而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明: 射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响，UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率，进而促进片状或管状结构液体结构生成，从而引起液体射流破碎。      

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO₂气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.      

富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟

为研究全流量补燃FFSC(Full Flow Staged Combustion)循环发动机气-气喷注器性能,以气氢/气氧(GH2/GO2)预燃室提供的758K富氢燃气和676K富氧燃气为推进剂对同轴直流喷嘴燃烧流场进行了数值模拟.考察了相同燃烧室结构、流量、入口燃气温度条件下,富氧燃气压降、富氢燃气和富氧燃气的速度比、氧喷嘴厚度和氧喷嘴缩进变化对燃烧性能的影响,获得了4个参数的影响规律.数值模拟结果对燃气气-气喷注器结构设计有参考价值.     

固液混合火箭发动机固体燃料的燃速计算

分析了固液混合火箭发动机的燃烧特点、燃烧中气相过程和固体燃料内部的传热过程,利用由传热理论得出的固体燃料燃速公式和阿累尼乌斯(Arrhenius)燃速公式耦合计算,得到了燃速与氧化剂流率、轴向距离、装药初温和时间的变化规律.计算结果表明固体燃料燃速主要受氧化剂流率和轴向距离的影响,随氧化剂流率的增加而增加,随轴向距离的增加而减小.固体燃料燃速温度敏感性小,在设计发动机时可以不考虑装药初温的影响.利用热力计算得到了绝热燃烧温度与氧化剂流率和药柱长度的变化规律,绝热燃烧温度随氧化剂流率的增加存在一最大值.计算结果与相关文献的报道比较吻合,为进一步研究固液混合火箭发动机的燃烧及流动问题打好了基础.     

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真

为了预测航天器低温推进剂在轨工作时受热后的状态变化,采用二维轴对称Volume of Fluid(VOF)气液两相流计算流体力学模型,同时选择Lee提出的气液相变模型.由于模拟试验采用低温液氮贮箱,因此本文采用低温液氮贮箱为数值仿真对象.微重力情况下,贮箱内气枕区的压力和压力上升率均低于地面状况,重力水平越低,压力和压力上升率越小,并且气体形成的气枕区位置和形状因表面张力大小随温度不同而动态变化,液体区间的温差也随重力水平的降低而增大.     

磷酸掺杂型高温质子交换膜燃料电池关键材料研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于较高的工作温度(130~220℃),具有较快的电极反应动力学、较强的抗燃料/空气中杂质毒化能力、广泛的燃料来源(甲醇重整气、工业副产氢等)及简单的水/热管理系统等优点。因此,HT-PEMFC将成为聚合物膜燃料电池的重要前沿发展方向之一。重点介绍了北京航空航天大学团队近十年来在HT-PEMFC关键材料-高温膜、催化层和膜电极等方面的研究进展,针对磷酸(PA)掺杂型高温膜的质子传导率和机械性能之间的最佳平衡点、催化层中PA分布和迁移对电池性能的影响机制,以及大尺寸膜电极一致性对电堆性能影响与衰减机制等科学问题,从聚电解质膜材料的分子设计、有序催化层结构调控和大尺寸膜电极电堆优化等工作进行了梳理,对HT-PEMFC技术所面临的技术挑战问题与未来发展趋势做出了评述和展望。