喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为，及其对发动机燃烧和传热的影响，进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验，使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况，包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度，证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果，分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型，并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析，通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比，验证了该模型具有更高的准确性。     

小推力液体火箭发动机燃烧室内流场数值模拟

为研究不同直径的推进剂液滴碰撞火箭发动机燃烧室壁面后对流场的影响,在FLUENT基础上通过UDF程序加入液滴撞壁模型,对一种双组元自燃推进剂发动机燃烧室内推进剂的蒸发、流动、燃烧过程进行分析计算,得出燃烧室的流场,液滴分布,液滴撞壁后轨迹的变化以及发动机的各项性能参数,符合规律的数值模拟结果,可为发动机的设计和试验提供依据。     

涡扇发动机短舱结冰试验相似方法

通过分析短舱表面结冰缩比试验相似要求,在保证绕流流场、水滴撞击特性和结冰冰型相似的基础上,分别采用基于气流雷诺数,气流韦伯数和水滴韦伯数3种速度选取方法建立了试验相似准则。利用该准则获得了明冰和霜冰条件下涡扇发动机短舱1/2缩比模型的结冰试验参数,开展了短舱进气道表面结冰冰型预测,对参考模型和缩比模型表面过冷水滴撞击特性、结冰特性、溢流水分布特性进行了分析。结果表明:采用基于气流韦伯数和水滴韦伯数速度选取方法的相似准则,在明冰和霜冰条件下均能保证缩比模型与参考模型表面水滴撞击特性相似,且相似性不受结冰温度影响；溢流水变化趋势与参考模型相似,流动极限相近；缩比模型表面冰型均与参考模型相似,该方法能够为短舱结冰试验参数选取提供依据。      

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1 000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8 525 r/min;基于显式碰撞动力分析软件PAM-CRASH 建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明：大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。     

超声悬浮乙醇液滴气动破碎特性研究

采用超声波悬浮液滴的方式,选取直径分别为1.0mm、1.5mm和2.0mm的乙醇液滴为研究对象,在韦伯数We=15~90的范围内,对其在脉冲气流中的破碎特性进行了实验研究。利用高速摄像机拍摄破碎现象,分析了液滴的破碎模式与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增加,液滴先后产生袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。三种不同的破碎模式本质上都是袋状破碎——边缘袋状破碎与核心袋状破碎,低We数下主要为核心袋状破碎,高We数下主要为边缘袋状破碎。We数越大,破碎形成的袋直径越小,数量越多,破碎越剧烈。初始直径增大会使液滴转变破碎模式的临界We数增大。脉冲气流中乙醇液滴的迎风面运动遵循匀加速规律,其无量纲位移以We-1/2的比例缩小后是无量纲时间的简单二次函数。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段,一个是惯性控制阶段,另一个是毛细效应阶段。     

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。     

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.      

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。     

高温氧化铝液滴沉积条件下绝热材料烧蚀实验方法研究

为了深入了解固体火箭发动机高温高压环境中氧化铝沉积条件下绝热材料的传热烧蚀规律,从全尺寸发动机中液滴流动状态与沉积规律入手,结合凝聚相颗粒与壁面的相互作用机理,确定了Sommerfold数K作为壁面捕获准则,发展了一种能够模拟高温氧化铝沉积条件下绝热材料烧蚀的实验方法。三维两相数值模拟和实验结果表明:实验装置沉积段内凝相液滴流动状态与全尺寸发动机背壁凹腔内相似,且绝热材料烧蚀率相近。据此证明,此装置后续可用于开展氧化铝液滴沉积条件下绝热材料烧蚀特性的实验研究。     

宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤数值仿真

为解决航空发动机宽弦空心风扇转子叶片抗鸟撞设计问题,对宽弦空心风扇转子叶片鸟撞损伤进行了数值仿真。采用光滑质点流体动力学（SPH）算法建立鸟体模型,采用J-C本构模型和失效模型定义材料冲击下动态性能,建立旋转状态下叶片鸟撞数值仿真方法,经过试验验证能够较准确预测叶片损伤。开展相同条件下鸟撞击宽弦空心和实心风扇转子叶片仿真,对比鸟撞击叶片过程、撞击时叶片叶尖最大轴向和径向变形、撞击后叶片永久变形,研究被鸟撞击后空心叶片相比实心叶片的损伤特征。结果表明：空心和实心叶片鸟撞击过程相同;空心叶片被鸟撞击后叶尖轴向和径向变形更小;空心叶片被鸟撞击后前缘卷边变形更严重,对风扇气动性能和稳定性影响更大;在结构设计时应适当增加前缘空心区域局部刚度,或者适当增大前缘实心区域范围,用于提高空心叶片的抗鸟撞能力。     

航空发动机吞水试验台喷雾系统数值模拟

航空发动机吞水试验中的雨雾环境依靠喷雾系统来实现,喷雾系统能否精确模拟真实大气雨水环境直接关系着试验的可靠性。采用欧拉-拉格朗日粒子追踪方法,对吞水试验台喷雾系统雾化效果的影响因素进行研究。空气相的变化通过求解时均N-S方程得到,离散液滴的变化通过Fluent中的离散相模型进行模拟,液滴的破碎模拟采用Wave模型,碰撞模拟采用O'Rourke模型,传热传质模型采用等温液滴蒸发模型。结果表明:发动机运行状态、喷嘴孔径和喷水量对雾化效果均有影响,但发动机慢车和最大状态时,三者对雾化效果的影响各有不同。     

航空发动机风扇叶片的抗鸟撞设计

根据航空发动机结构特征和鸟撞后的风扇叶片损伤特征,提出风扇第一级转子叶片是发动机抗鸟撞关键零件,叶片前缘为抗鸟撞设计关键部位。建立一种风扇叶片鸟撞理论分析方法,研究撞击工况、结构参数与鸟撞过程、损伤模式、损伤程度的关系,提出前缘角度是抗鸟撞能力关键结构参数。当撞击工况确定后,前缘角度决定了撞击形式和叶片损伤模式,影响损伤程度。采用显示动力学仿真分析方法,设计了一种带前缘特征的模型,对前缘角度的影响规律进行了验证,并开展了实际风扇叶片改进设计,改进后的叶片被鸟撞击后变形减小最少33%,抗鸟撞击能力明显提升。     

复合材料层合板鸟弹撞击损伤分析

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤情况,对鸟弹在4个入射角度下撞击复合材料层合板的过程进行了数值模拟,建 立了复合材料层合板靶板模型;分析复合材料层合板与鸟弹碰撞后的受力以及复合材料层合板水平、垂直应变情况,并在此基础 上建立了真实风扇叶片模型用于模拟被鸟弹撞击的风扇叶片。结果表明：复合材料层合板鸟撞数值模拟结果与试验结果一致;综 合比较鸟弹的残余速度和复合材料层合板的损伤情况发现,在鸟弹入射角为30°时,复合材料层合板的抗鸟撞效果最好;复合材料 层合板的数值模拟应变最大值与试验应变最大值的误差在10%以内,验证了数值模拟结果的正确性;当风扇转速为6000 r/min 时,鸟弹入射角度越大,鸟弹与风扇叶片接触的时间越短,接触碰撞后鸟弹的速度减小越多,残余速度越小。     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

连续均匀气流中单液滴破碎特性试验

为了获得均匀气流中单液滴变形、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。试验设计工况下所得结果表明: (1)冷态气流中,液滴变形速率随[We]数的增加呈线性增加的变化趋势,[We]数在15～40液滴变形速率在0.2m/s～0.8m/s变化,[We]数在45～60液滴变形速率在0.6m/s～1.4m/s变化;(2)模糊数学模型计算结果表明,冷态气流中,液滴初始直径对液滴变形速率的影响能力弱于初始气/液相对速度,[We]数在15～40液滴直径、气/液相对速度的权重系数分别为0.29,0.71,[We]数在45～60液滴直径、气/液相对速度的权重系数分别为0.343,0.657;(3)液滴的初始直径增加使得液滴发生破碎的临界[We]数增大;(4)液滴的破碎时间分别随气流流量、气流温度的增加呈负指数的变化趋势,且变化趋势都随气流流量或气流温度的增加而减弱。     

新型耐烧蚀涂层防隔热性能

介绍了一种新型发动机用外防热材料,该防热材料在短时间高热流的条件下,通过电弧风洞试验 考核,试样的背壁温度可降低至144℃,相较于无涂层试样,背温的降温幅度高于300℃。0. 5 mm 厚涂层与0. 8 mm 厚涂层相比,试样背温并无明显优势。且室温固化涂层比高温固化涂层试样背壁温度低30℃,均低于 234℃,均满足设计指标要求的背壁温度低于350℃的使用需求。     

双组元发动机燃烧室瞬态工作过程仿真

为真实模拟双组元姿控发动机燃烧室的瞬态工作过程,耦合考虑了自燃点火与喷雾燃烧过程,提出了适合于准一维计算的求解燃烧室气体参数的新方法,发展了可反映集液腔填充和排空过程影响的喷注质量子模型,建立了分析双组元姿控发动机燃烧室瞬态工作过程的准一维模型。利用此仿真模型分析了EADS 10N姿控发动机燃烧室的单脉冲和多脉冲工作过程,得到了真空推力、液滴位置分布和总冲等结果,并与文献中的试验结果进行了比较分析。表明仿真结果与试验结果一致性较好。     

低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟

非牛顿射流的撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛用于燃料的喷注雾化,然而人们对其破碎物理机制却知之甚少。本文将采用基于液体体积法的直接数值模拟(DNS)工具,研究夹角为90°的2个等直径低韦伯数射流撞击现象,并分析二者形成的单一对角射流特征及其破碎机理。研究结果表明,撞击形成的单一对角射流直径较原射流直径大1.66倍,并在头部形成液滴诱导破碎的发生。除了头部破碎,在对角射流的发展过程中还观察到一类液柱破碎,表现为射流表面不稳定波不断发展形成新的弯曲波破碎,并产生卫星液滴及液滴的融合。伴随两股射流撞击的发生,气液两相交界面的面积也不断减小,同时,射流内部的黏性也不断变化,在本文的低雷诺数和低韦伯数条件下,流体内部黏性系数变化超过10%。     

传热对微型发动机预混催化燃烧特性影响的研究

为了研究传热对微型发动机燃烧室内甲烷催化燃烧特性的影响,采用CH4和空气的预混合气体,对在活塞上表面和燃烧室顶部涂有Pt-La/γ-Al2O3催化剂的传热情况下的微型发动机的催化燃烧特性进行了实验研究及数值模拟,详细对比分析了3种典型的管壁材料(Si,Fe和矾土),有、无催化涂层及绝热与传热情况下的微型发动机燃烧室内CH4的催化燃烧特性。结果表明:对于Pt-La/γ-Al2O3催化下自由活塞式的微型发动机,受尺度减小引起的传热损失对催化燃烧过程影响不大;有催化情况下的燃烧效率明显高于无催化,催化燃烧具有更高的燃烧室内温度,可以实现更高的动力和电能输出,微型发动机(MEMS微推进系统)具有更高的输出功率和能量密度;管壁材料为导热系数较小的矾土的催化燃烧效率略高于导热系数较大的Si;微型发动机燃烧室的壁面材料应采用具有承受应力高、适应温度广、机械性能及抗变形能力强等优点的耐火陶瓷。     

单液滴蒸发测试及数据处理方法研究进展

在航空发动机燃烧室中的航空煤油雾化成液滴后蒸发燃烧,单液滴蒸发特性不但是燃烧室设计参数之一也是两相湍流 燃烧模型组的重要组成部分,对液体燃料液滴蒸发特性研究具有重要意义。对单液滴蒸发测试及数据处理方法进行总结,综述了国 内外不同测试条件下的液滴蒸发试验装置设计、基本原理与操作步骤;对比了传统与新型液滴温度测量方法及液滴成像方法;分析 了不同液滴图像处理方法的优缺点,最后总结了造成液滴蒸发试验误差的主要因素为仪器误差、液滴尺寸换算误差、挂丝方式生成 的误差、挂丝带来的误差、图像测量误差。重力场、环境温度、环境压力及来流速度对液滴直径和液滴温度变化的影响分析,以及随 着测试技术的发展所应用的多种先进测试方法和技术,为单液滴蒸发试验装置的设计、测试技术的研究提供参考,为液滴蒸发试验 开辟了新的研究思路。