离心式喷嘴液膜破碎过程实验

为了研究离心式喷嘴出口液膜破碎以及雾化锥角变化规律,对直径2.5~6 mm之间6个不同直径、不同几何特性参数的离心式喷嘴运用高速阴影设备进行实验,喷注压降从0.1~3 MPa,每次实验间隔0.2 MPa。通过实验,得到液膜破碎长度、液膜锥角随喷注压降、喷孔直径以及几何特性参数的变化规律。随着喷注压降的增加,液膜破碎长度减小,液膜锥角增大,该种类型喷嘴破碎长度在40 mm左右,液膜锥角不大于60°;随着几何特性参数A值增加,同一喷注压降下的液膜破碎长度增大,液膜锥角增加;将液膜锥角实验结果与Abromvich,Lefebvre等理论公式进行了比较,在常用的喷嘴特性参数范围内,液膜锥角的变化趋势与理论公式相吻合,但实验值远小于公式计算值。     

针栓式喷注器无旋锥形液膜线性不稳定分析

将离心式喷嘴锥形液膜破碎模型应用于针栓式喷注器,对无旋锥形液膜进行了线性不稳定分析。求解色散方程获得了色散关系曲线,分析了无旋锥形液膜表面波发展过程。研究了喷注压降、喷注通道长宽比、液膜半锥角以及正弦模式扰动波加权因子等参数对无旋锥形液膜无量纲破碎时间和破碎长度的影响。结果表明:正弦模式扰动波比曲张模式扰动波增长更快,并且更不稳定。正弦模式扰动波在无旋锥形液膜破碎过程中占优,并且喷注压降越大,液膜破碎的越快。喷注通道长宽比的增加会使得无量纲破碎时间和破碎长度近似线性增大。针栓式喷注器设计时,为利于液膜破碎,喷注通道长宽比应取小值,而液膜半锥角应取大值。     

不同液压条件下锥形液膜破碎的实验研究

应用PIV激光粒子图像测速仪对由离心式压力雾化喷嘴喷出的锥形液膜的破碎进行了实验研究。澜得了不同压力下的扰动波波长、波速和振幅。研究结果表明，液膜半锥角随着液压的增加而增加，半波长的液膜段剥落后几乎立即破碎成液滴，看不到明显的液膜段收缩成液丝的过程。由实验拍摄的图像看，长、短扰动波同时存在，共同影响液膜的破碎。这些数据可用于发展锥形液膜初始雾化模型。     

切向孔单/双排布局对离心式喷嘴锥形液膜雾化特性影响

为了研究切向孔单/双排布局对离心式喷嘴雾化性能的影响,采用高速摄影仪对两种结构喷嘴形成的锥形液膜进行了拍摄分析,测量了不同压降下液膜的破碎长度、喷雾锥角、出口轴向速度以及表面波破碎点波长等雾化性能参数,并使用这些性能参数作为初始条件,求解了锥形液膜色散方程。结果表明:双排切向孔布局使得液膜雾化性能变差,体现为相同压降下喷雾锥角减小1°~2°,破碎长度增大,增大幅度最大达8.2%;色散方程求得的破碎点波长理论值与试验值吻合较好,验证了所用液膜破碎模型的有效性;单排切向孔喷嘴形成液膜的主导扰动波增长率大于双排切向孔喷嘴的主导波增长率,从直观上解释了单排切向孔喷嘴破碎长度小于双排切向孔喷嘴的原因。     

基于Gerris的离心式喷嘴锥形液膜破碎过程数值模拟

为了实现离心式喷嘴锥形液膜破碎过程的精细可视化和雾化特性的准确计算,基于自适应网格加密技术和VOF方法,建立了一种数值方法,可以捕捉到包含一次雾化和二次雾化的喷雾场结构特征,获得了全场液滴的空间分布和粒径分布,液滴捕捉效果逼真。针对给定结构尺寸的敞口型离心式喷嘴,计算了在不同流量和不同切向孔直径下的液膜锥角、液滴平均粒径SMD的变化,并与高速摄影拍摄的锥形液膜破碎过程图像和PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)测量的液滴SMD对比。结果表明,数值模拟与实验所获得的喷雾场吻合,获得的液膜锥角和液滴平均粒径最大相对误差分别为4.18%和11.82%,结果吻合较好,验证了数值方法的准确性,为离心式喷嘴的精细研究和设计应用提供一种新手段。研究表明,切向孔直径对液膜锥角和液滴平均粒径的影响较显著,在设计加工时,是一个比较重要的结构参数。     

基于移动粒子半隐式方法的旋流液膜破碎过程模拟

为实现旋流初始雾化中液膜破碎过程的直接数值模拟,基于GPU (Graphics processing unit)加速和移动粒子半隐式方法 (Moving particle semi-implicit method, MPS),开发了离心式喷嘴液膜破碎过程的并行加速数值模拟方法与程序,模拟了喷雾场三维形态特征和初始雾化破碎过程。模拟结果成功捕捉到了液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程。模拟得到的雾化破碎过程与实验拍摄结果基本吻合。模拟了不同射流速度下的旋流液膜破碎过程,模拟得到的液膜初始破碎长度与经验公式计算结果趋势一致,二者吻合较好,最大误差为24.2%,模拟得到的液膜半锥角与实验值较为吻合,误差为10.6%。表明开发的模拟方法与程序的准确性,为后续离心式喷嘴的液膜雾化过程及雾化特性研究打下基础。     

锥形液膜空间稳定性分析

对离心喷嘴喷出的锥形液膜做了空间不稳定性分析,导出了锥形液膜的色散方程,并对色散方程进行了数值求解和分析研究。研究结果表明,在液膜表面存在着对称扰动波和反对称扰动波。对于对称扰动波,液膜半锥角的增大使得液膜的不稳定范围和波增长率缩小,并且将扰动波的主波向长波的方向移动。而反对称扰动波既有类似于对称扰动波的变化规律,又有其自身的特点。仅考虑液膜曲率半径的变化时,半锥角的增大使得波增长率的减小趋缓。而同时考虑曲率半径和液膜形状的变化时,液膜的波增长率出现了两个局部峰值。这两个峰值分别对应长短不同的两个波长,并且短波的稳定范围和增长率均远小于长波。这说明锥形液膜的破碎受到两种长短不同的扰动波的共同影响,且在短波的影响下液膜更易破碎。      

基于VOF方法分析离心式喷嘴结构参数对性能影响

基于两相界面追踪流体体积(volume of fluid,简称VOF)方法模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,在数值方法可靠性验证基础上,得到了15个喷嘴构型的流量系数、液膜厚度以及雾化锥角.定义无量纲影响因子η,比较喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响程度.除了喷嘴直径和旋流室直径外,重点研究了出口扩张角、等直段长径比等结构参数的影响,通过与试验相对比,综合以往经验公式,得到如下结论:增大旋流室长度,能够增大雾化锥角;在喷嘴出口增加扩张角,能够显著地减小液膜厚度,减小雾化锥角;增大切向口距喷嘴顶部距离,能够改善喷嘴性能;切向口个数和等直段长度对喷嘴性能影响不大.该工作为下一步优化喷嘴构型打下了基础.      

双层旋转锥形液膜一次破碎特性数值研究

为了全面加深对锥形液膜一次破碎机理的认识,对双层锥形液膜的雾化过程进行了数值模拟,重点研究了压降和同轴旋转空气对双层液膜宏观形态、液膜破碎模式、液膜破碎长度和喷雾锥角等液膜一次破碎特性的影响。数值计算的喷雾场宏观形态与试验结果接近,喷雾锥角和索特尔平均直径的计算最大误差分别为4.9%、7.4%。研究表明：同轴旋转空气参与雾化会改变喷雾场的整体形态;增大压降和空气速度会改变液膜的破碎模式和主导表面波模式;双层液膜的合并会在液膜表面产生剧烈的表面波动,同时会略微增大液膜的喷雾锥角;液膜的破碎长度会随着压降和同轴旋转空气轴向速度的增大而减小。该研究有助于进一步研究双层液膜一次破碎的机理,从而指导对双路离心式喷嘴的雾化认识。     

离心式喷嘴雾化参数的计算

根据液膜破碎的线性稳定性分析的结果及离心式喷嘴锥形液膜破碎长度的经验公式,由离心式喷嘴的结构参数和简化的流动模型,计算确定锥形液膜破碎厚度hb,进而计算索太尔平均直径SMD。计算结果与实验及有关经验关系式计算的结果相符合。本文所提出的计算方法可用于离心式喷嘴雾化参数的预估。      

航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性,通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验,并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质,观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化,发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响,最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质,通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度,结果表明在背压大于1.75MPa的工况下,该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构,此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力,两者都起着促进雾化的作用。     

针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.      

平板式预膜喷嘴初次雾化特性试验

为深入了解平板式预膜喷嘴初次雾化特性,试验研究不同进口条件对平板式预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律。试验采用了背光照明和片状激光照明相结合的高频拍摄手段分别获得液膜俯视和侧视破碎形态,同时运用本征正交分解(POD)法和液膜边缘定位等分析方法进行光学图像结果后处理,获得表征平板式预膜喷嘴初次雾化特性三个物理量:液膜波动频率、破碎距离和横向不稳定波长。试验结果表明:①通过分析侧视和俯视破碎形态,平板式预膜喷嘴液膜破碎形态可分为三类:末端破碎、波浪脱落和表面剥离,进口韦伯数对预膜喷嘴破碎形态的影响占主导地位;②把POD法和液膜边缘定位方法等相结合方法应用到高频非接触光学喷嘴雾化图像的后处理分析中,是一种非常有效的数据后处理方法;③液膜初次雾化特性主要受到进口韦伯数和气液动量比的影响,破碎距离和横向不稳定波长都随进口韦伯数的增加而降低,液膜表面不稳定波动频率随进口韦伯数的增加而增加,所获得的经验关系式与试验数据吻合较好。所获得的进口参数对液膜破碎形态和雾化特性的影响规律为喷嘴后续优化设计提供了依据。     

幂律流体撞击射流破碎机理的实验

通过自行研制的撞击射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同卡波姆质量分数剪切变稀的卡波姆凝胶非牛顿幂律流体在不同射流条件下撞击液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度进行实验与分析.结果表明:不同流变特性的幂律流体出现的破碎模式不同,黏度越高,破碎模式越复杂;4种卡波姆凝胶在韦伯数为8000左右时,达到完全发展模式,并在韦伯数为8000左右时表现出相似的破碎特性;随着韦伯数的增大,喷雾锥角逐渐增大并趋于稳定,稳定值小于撞击角度,当卡波姆质量分数增大时,最大喷雾锥角逐渐减小,最终收敛于60°;随着韦伯数的增大,4种卡波姆凝胶的破碎长度先小幅变大然后减小,理论结果与实验结果整体趋势相似.      

幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

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。