由喷嘴连接的燃烧室到供应系统压力振荡传递过程研究

为了研究在压力振荡由液体火箭发动机燃烧室传递到供应系统的过程中喷嘴所起的作用,从理论上分析了压力振荡由燃烧室到供应系统通过喷嘴的传递过程,推导了振荡传递过程的传递函数.讨论带有各种喷嘴的供应系统的动态特性,对供应系统管路长度、燃烧室压强、喷嘴种类、喷嘴压降及喷嘴结构尺寸对燃烧室压力振荡引起供应系统压力振荡的影响进行了计算,得到了喷嘴以及工况参数在传递过程中的影响规律.      

燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响

基于液体喷嘴动力学理论,对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析,推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明：混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加,后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大,随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变,说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。     

考虑流固耦合作用的一维供应管路-喷嘴系统动力学特性

为了更加深入地研究供应管路-喷嘴系统的动态特性,在喷嘴动力学理论的基础上,建立了考虑供应管路流固耦合作用的传递矩阵组合计算模型。针对三种典型液体火箭发动机喷嘴与一维供应管路组成的系统,开展了两端固定边界的系统动力学特性数值模拟。结果表明:管路结构谐振与管内流体谐振所导致的喷嘴出口位置流体速度振荡量级相当,管路流固耦合作用对系统动态特性的影响不能忽略;管路结构谐振是造成其固定位置应力的频率响应幅值较高的主要因素;当流体与结构的谐振频率接近时,会产生一个大带宽、高幅值的应力耦合振荡区间,随着管壁厚度的增大,耦合振荡的带宽也随之增大;对于文中算例,流固耦合作用对流体谐振造成的系统振荡具有约5%的降频作用。     

液氧煤油超临界富氧燃烧中的低频振荡特性实验研究

为了研究液氧煤油在高混合比下的燃烧特性,在模拟燃烧室中开展了液氧煤油在超临界压力环境下的富氧燃烧实验,燃烧室中采用了双离心喷嘴。实验过程中燃烧室压力额定值为6.4MPa,高于液氧和煤油的超临界压力。燃烧室直径为50mm,燃烧室长度约为345mm,燃烧室喉部直径10.5mm。用压力传感器记录液氧喷前压力、煤油喷前压力和燃烧室压力,压力数据的采样频率为2kHz。实验中发现：当混合比为10时,液氧煤油发生较为稳定的燃烧;当混合比为14.5时,燃烧室内出现了20～30Hz的低频燃烧振荡;在燃烧的启动和关机阶段,也出现了相近频率的低频燃烧振荡。液氧和煤油的喷前压力振荡相位均滞后于燃烧室压力振荡,表明振荡的源头在燃烧室。系统幅频特性分析结果表明,燃烧振荡频率与系统频率不耦合。液氧煤油低频燃烧振荡的主要诱发因素可能是高混合比燃烧下的温度效应。富氧燃烧温度低于2200K易诱发低频燃烧不稳定。     

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。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性，在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而，目前并没有合适的理论模型，来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型，通过理论推导隔板喷嘴声导纳，利用分离变量法结合实验验证，研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明，存在最佳隔板喷嘴间隙，对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳；随着隔板喷嘴数量或长度的增加，燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势，且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础，研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

富氧燃气发生器-供应系统耦合稳定性研究

针对试车中燃气发生器及供应系统自发地产生一阶纵向压力振荡,对系统中各环节建立了满足声学分析的线性化传递矩阵模型,包括液体管路模型、敞口型离心喷嘴动力学模型、流量调节器模型、光滑燃尽曲线的燃烧模型、一维分布参数的燃气流动模型等。求解了发生器相对推进剂流量扰动的幅频响应、液氧和煤油供应系统的喷注导纳。采用Nyquist稳定性判据讨论了发生器和供应系统在不同条件下的耦合稳定性。计算结果与试车现象吻合。在中频范围内,发生器室压对两路推进剂流量脉动都能产生较大的响应,煤油流量扰动引起较大的熵波幅值。由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳在宽频范围内都有较高的幅值,且在600～800Hz之间明显大于煤油喷注导纳幅值。发生器-供应系统存在中频不稳定的机理是液氧供应系统出口流量振荡与发生器内声学振荡相耦合。液氧喷注压降和发动机工况的降低对耦合稳定性均产生不利的影响。增加液氧喷注压降可以减小液氧流量振荡的反馈,提高系统的中频耦合稳定性。      

厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴性能仿真分析

为研究富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴设计参数对燃烧性能和燃烧室热载的影响,采用正交试验设计方法对这些参数进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室流场,并以燃烧长度、燃烧室壁面和喷注面板处平均燃气温度为指标评价燃烧性能和热载.结果表明:燃氧速度比对燃烧性能和燃烧室热载影响最显著,中心氢流量比例对燃烧室热载影响非常显著,氧压降比对喷注面板处燃气平均温度的影响也很显著,而喷嘴出口壁厚对喷嘴性能影响不明显.燃氧速度比和氧压降比的交互作用对喷嘴性能有一定影响,而其他设计参数之间的交互作用对喷嘴性能影响非常小.最短燃烧室长度为117.9mm,最低壁面燃气温度及面板燃气温度分别为1637.7K和806.6K.      

液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。     

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象；气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

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。