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。     

背压对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为研究背压对撞击式喷嘴雾化特性的影响,将压力的变化等效为气体密度的变化,基于一种树形自适应加密算法,通过直接数值求解不可压Navier-Stokes方程组实现了不同背压条件下射流撞击雾化的数值模拟。首先将数值模拟结果与试验数据进行对比,验证数值模拟的有效性,在此基础上开展了高背压条件下雾化过程的数值模拟。结果表明,随着背压的提高,气动力相应增强,液膜的破碎更加剧烈,一次雾化区域的液滴数密度增大,雾场由稀疏向稠密发展;液膜在向下游运动过程中波动速度的幅值逐渐增大,并且随着背压的提高,液膜的波动由线性向非线性转变;背压增大导致破碎长度减小,经过参数修正得到了液膜破碎长度的经验公式,并与试验数据进行了对比;背压对液滴尺寸分布规律没有显著影响,但随着背压的提高,同一时刻大液滴所占的比例提高,整个雾场的Sauter平均直径有增加的趋势,当背压从0.1MPa增大到1MPa时,雾场的Sauter平均直径由155.5μm增大到166.9μm;背压增大,液滴粒径分布的均匀度指数减小,液滴尺寸分布更加不均匀。     

气泡雾化喷嘴液雾特性

为了研究静止空气中气泡雾化喷嘴的液雾特性，利用粒子多普勒分析仪(PDA)和Mie散射显示法，对气泡雾化喷嘴在水压2．5MPa和3．4MPa条件下，较宽气液比范围内的液雾的张角、粒度及速度分布进行了测量，分析了水压、气液比、两股射流相互作用对液雾的影响。结果表明，气泡对液体射流的雾化具有较大的增强作用，同时发现存在-临界气液比(介于3％～4％之间)，当气液比达到临界值后，射流的雾化突然增强，且运行稳定。     

撞击角对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为了研究液体火箭发动机中撞击式喷嘴的雾化问题,采用CLSVOF(Coupled Level-Set and Volume-of-Fluid Method)方法对撞击式喷嘴的雾化过程进行了数值仿真模拟,重点考察了撞击角对撞击式喷嘴雾化特性的影响。结果表明,通过CLSVOF方法能对射流撞击雾化形态进行较好的捕捉;分析整个雾化区域的液相分布,将射流撞击雾化过程中的液相分布大致分为三个区域:撞击前两股独立射流区域、撞击后形成的液膜区域、液膜破碎后液丝和液滴的生成区域;射流撞击雾化除了气液界面上速度差引起的不稳定之外,还存在由射流湍流或撞击波引起的其它不稳定因素;液膜破碎长度随撞击角的增大而减小,液膜表面上的表面波幅值及液膜破碎程度则随撞击角的增大而增大;射流撞击在撞击点位置处所形成的速度差对液膜的破碎和液膜上表面波幅值的大小起到了关键作用。     

撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征

采用激光全息和图像处理技术,研究了撞击式喷嘴撞击角和射流速度对凝胶推进剂雾化性能的影响,撞击角范围为40°~90°,射流速度范围为15~55 m/s。研究了气/液撞击对凝胶推进剂雾化性能的影响,结果表明:增大撞击角和射流速度均有助于凝胶推进剂的雾化;减小射流直径有利于凝胶推进剂雾化;凝胶推进剂的极限表观粘度是影响其雾化的主要因素。分析了撞击式喷嘴凝胶推进剂喷雾场的特征,认为在本文研究的范围内,可以将凝胶推进剂喷雾场依次分为规则扇型的液丝区域、紊乱网状的液丝区域和液丝与液滴共存区。     

环形燃烧室内气液同轴雾化数值模拟研究

为了探究连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内煤油射流在同轴气流作用下的雾化过程,采用开源软件OpenFOAM中基于欧拉-拉格朗日方法的sprayFoam求解器对其进行数值模拟,开展了喷射角度、相邻喷嘴夹角、背压和气液速度比对雾化特性影响的研究。研究表明：sprayFoam求解器可以较好的模拟环形燃烧室内液态燃料的喷射雾化特性;随着喷射角度和背压增大,液滴雾化后的粒径逐渐减小;相邻喷嘴角度为15°时燃料雾化后的液滴分布最佳,此时液滴索特尔平均直径为85.1μm;不同气液速度比的射流末端液滴速度最终趋于一致,均约为160m/s。     

偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响,建立了求解自燃推进剂冷态射流撞击雾化过程的数值模拟方案,计算了不同偏心度条件下的射流撞击雾化过程。采用树形自适应加密算法直接求解不可压Navier-Stokes方程组,由分段线性的流体体积(VOF)方法对流体界面进行捕捉。结果表明偏心撞击会导致雾场发生偏转,当无量纲偏心度E为1/8时,雾场偏转角度约为9.2°,应控制加工偏差小于该值。随着偏心度的增大,液膜的偏转角度增大,理论推导得到的液膜偏转角度要小于数值计算得到的液膜偏转角度。正心撞击时燃料与氧化剂流强峰值接近,雾场的流强分布呈单峰分布。当发生偏心撞击时,由于燃料与氧化剂部分射流未参与撞击导致流强峰值出现交错,雾场的流强分布呈双峰分布,混合比的空间分布发生较大改变。正心撞击时撞击点下游液滴的速度分布近似呈轴对称分布,而偏心撞击之后的速度分布则呈中心对称分布。偏心撞击导致的射流动量损失使得雾化性能变差,当无量纲偏心度E为1/8时,一甲基肼(MMH)的Sauter平均直径增大约4.8%,四氧化二氮(NTO)的Sauter平均直径增大约5.8%。      

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。     

高压环境下剪切稀化非牛顿撞击射流直接数值模拟

高压环境下的撞击射流是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法，其雾化效果将直接决定最终燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具，对10 MPa高压环境下剪切稀化非牛顿直角撞击射流的三维非定常雾化特征、机理及非牛顿特性进行了研究。结果表明：高压环境下该撞击射流的雾化流场呈圆形辐射状分布并形成Mushroom头部和Ω状的局部凸起，气体中的涡量分布表现为有序贴附区和无序爆炸区两类，液膜向液丝的破碎主要受平均气体力和平均黏性力作用影响，而液丝向液滴的破碎则主要受局部流场参数影响，撞击雾化过程中液体无量纲表面积不断增长并可分为5个阶段。此外，撞击射流头部在局部强剪切力作用下其无量纲黏性系数最低降至仅0.7。     

直流互击式喷注单元雾化特性准直接数值模拟

为实现直流互击式喷注单元雾化过程的数值求解并探究结构及工作参数对雾化特性的影响规律,基于一种树形自适应加密算法与流体容积(Volume-of-Fluid,VOF)方法实现了雾化过程的准直接数值模拟。计算得到了两股射流由喷射到撞击形成液膜,液膜进一步破碎形成液丝、液滴的全过程,获得了液膜的破碎长度、液滴的Sauter平均直径、雾化频率等雾化特性参数。通过将典型算例的计算结果与试验数据进行对比验证了计算的有效性,给出了数值求解精度。探讨了撞击波的形成机理,分析了雾场液滴的尺寸分布规律,撞击夹角、孔径比、射流速度、动量比对雾化特性的影响规律。结果表明:所采用的算法可以实现多相、多尺度雾化过程的数值求解;撞击波的形成是由于两股射流撞击时惯性力的不完全对称导致的;雾场液滴的尺寸分布近似服从Rosin-Rammler分布;撞击夹角的增大与射流速度的提高导致液膜的破碎长度减小,液滴的平均粒径减小,撞击夹角增大雾化频率呈减小的趋势,射流速度提高雾化频率呈增大的趋势;动量比为1而孔径比不为1时会形成凹形液膜,雾场存在一定程度的偏斜;动量比主要影响雾场的偏斜程度。     

Spray and combustion characteristics of aluminized gelled fuels with an impinging jet injector

The influence of the aluminium (Al) particle content of gelled Jet A-1 based fuels on spray and combustion characteristics as well as on rheological properties was investigated. Decreasing dynamic shear viscosity values were found with increasing shear rates and increasing viscosity values with increasing Al content. Also a distinct yield stress occurs for all investigated metallized gels. The atomization behavior of the gels with a doublet like-on-like impinging jet injector under ambient conditions concerning pressure and temperature was investigated, whereas different break-up modes were observed. Also the combustion behavior of gel sprays in air under both elevated pressure and air temperature conditions is presented here.     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

射流撞击雾化索太尔平均直径的计算

针对射流撞击雾化初始形成液膜的特征，推导出极坐标下自变量为极角的液滴尺寸分布函数的解析式，这种形式的分布函数与经典的Ｒ～Ｒ分布、上限对数正态分布等概率分布函数不同，可以计算任意撞击角下两股相同射流撞击或一股射流撞击壁面边缘在任意极角区域雾化所产生液滴的索太尔平均直径。计算结果表明，索太尔平均直径随撞击角增加而单调减小；射流直径、射流速度、射流温度变化时，索太尔平均直径也呈一定单调规律变化。本文还结合新一代液体火箭发动机层板式喷注器喷注单元雾化的特征进行了有关雾化机理的探讨。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

动量比对两股互击式喷嘴雾化特征的影响

基于CLSVOF（coupled level-set and volume of fluid）方法对两股互击式喷嘴雾化过程进行了数值模拟,仿真结果与实验结果进行对比,并详细考察了动量比对液膜特性的影响.结果表明:①CLSVOF方法能对射流撞击形成的液膜形态进行有效捕捉,计算获得的液膜形态与实验结果一致.②两股不同孔径的射流在撞击点撞击过程中,由于大孔径一侧的部分射流未参与撞击,而中心位置的液体在撞击之后速度迅速下降,周围的液体则保持撞击前的速度,使得射流撞击之后形成弧形状液膜.③在不同动量比条件下,射流撞击后轴线位置的合成角主要取决于参与撞击射流的动量比,数值计算结果与理论计算结果吻合较好,误差均小于10%.      

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

移动粒子半隐式方法GPU加速的双股射流撞击雾化模拟

为实现双股射流撞击雾化过程的高效数值求解并探究射流速度和撞击角度对雾化特性的影响规律，实现了移动粒子半隐式方法（MPS）GPU加速的双股射流撞击雾化模拟。GPU加速程序的最大加速比为16，取得了较好的加速效果。将GPU加速MPS方法应用于典型工况下的双股射流撞击雾化模拟，成功捕捉到了多尺度的液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程，模拟得到的液膜破碎长度及雾化角度与试验较为吻合，误差分别为11.7%和0.5%，验证了GPU加速MPS方法在双股射流撞击雾化问题中处理能力。参数化分析了射流速度和撞击角度对液膜破碎长度、雾化角度及一次雾化液滴索尔直径的影响。结果表明撞击角度增加或者射流速度增加均会导致液膜破碎长度减小、雾化角度增加、一次雾化液滴索尔直径减小。