运用高速动态分析系统研究喷嘴雾化性能

运用高速动态分析系统研究了喷嘴的雾化性能,重点阐述了高速动态分析系统的原理、构成、工作方式及其在研究喷嘴雾化性能方面的应用.     

旋流式气／液同轴喷嘴常压雾化燃烧实验研究

利用相位多普勒粒子分析仪,对两种旋流式气/液同轴喷嘴进行了模拟实验研究,获得了冷流模拟条件下和常压燃烧条件下的喷嘴雾化参数分布,以及常压下喷雾流稳定燃烧的条件,分析了该型喷嘴的常压雾化燃烧特性.同时,使用红外热像仪测量了常压条件下喷雾流燃烧的温度分布,分析了火焰结构,定性研究了喷嘴形式和工况对燃烧性能的影响.     

直流自击式喷嘴雾化特性研究

直流自击式喷嘴广泛应用于液体火箭发动机喷注器,但对于其雾化机理及特性的研究基本上都是建立在冷态试验和发动机热试车的基础之上.从喷嘴射流的受力分析着手,建立了射流破碎的物理模型,计算中考虑了影响该型喷嘴雾化特性的主要因素,并与相关实验结果进行了对比分析,说明了该物理模型具有一定的参考价值.该模型可以在燃烧流场计算时作为雾化初始条件使用.     

气/液同轴旋流式喷嘴雾化特性实验研究

应用激光相位多普勒粒子分析仪，对液体火箭发动机气/液同轴旋流式喷嘴进行了冷流模拟实验研究，获得具有工程应用价值的实验结果。进而分析了该型喷嘴的雾化机理和雾化特性，给出雾化粒径经验关系式。     

三组元喷嘴冷流试验研究

本文简要介绍了液氧/煤油高压补燃发动机富氧燃气/煤油喷嘴的一般形式以及在此基础上引入气态氢的四种三组元喷嘴结构方案.重点分析了富氧燃气/煤油/气氢三组元喷嘴的冷流喷雾试验结果,研究了三组元喷嘴的流量特性、雾化特性及流强分布特性、气气两相流的相互影响及结构尺寸对其特性的影响.文中结合三组元喷嘴内流场计算分析,给出四种三组元喷嘴方案的性能优劣.     

在横向气流中直射式喷嘴侧喷雾化细度的试验研究

应用激光散射测雾技术对均匀和不均匀横向气流中单个直射式喷嘴雾化细度作了试验研究。试验得出雾化细度 (索太尔平均直径) 随空气速度、供油压力、喷嘴孔径以及空气速度分布的变化规律。     

气动扇形喷嘴雾化特性的实验研究

为研究气动扇形喷嘴雾化特性,设计加工了不同角度、不同出口形式和不同尺寸的5种扇形喷嘴,并搭建了试验台架系统,进行了喷嘴雾化试验。根据试验测量结果,从流量特性和雾化特性方面分析了气液比、喷嘴结构等对喷嘴流量系数、喷雾场雾化粒径分布的影响,并定性给出了喷嘴结构对雾化特性的影响规律。     

反压条件下Y型喷嘴的变工况试验

针对燃烧室的变工况需求,利用反压试验系统开展了Y型喷嘴变工况试验,获得了喷嘴在不同反压环境下的喷注刚性、平均流速及雾化质量.试验结果表明,在常压环境中,Y型喷嘴通过掺混气体的方式显著改善了低工况下的喷注刚性和雾化效果,喷嘴具有较宽的工况调节范围;在反压环境中,随着反压升高,掺混气体对提高低工况下喷嘴喷注刚性的作用减弱,然而受掺混气体的影响,喷嘴的平均流速和雾化质量明显改善,并且在不同流量工况下获得了良好的一致性.在模拟燃烧室工作时,Y型喷嘴在较宽的流量调节范围内都具有良好的喷注刚性和雾化质量,其有效的流量调节范围远大于直流喷嘴.     

3D打印与机械加工喷嘴的雾化特性对比研究

为清楚阐明3D打印技术是否可应用于加工火箭发动机的关键部件——喷嘴,及加工方式会对推进剂的流动雾化产生何种影响,对相同结构的机械加工喷嘴与3D打印喷嘴的喷雾特性进行了冷态试验对比研究。基于背景光成像技术采用高速相机获得瞬态的喷雾图像,以及激光散射技术采用马尔文测量液滴粒径尺寸分布。研究发现:机械加工喷嘴同轴度普遍较差,喷嘴重复性较低,喷雾存在偏斜、分散等喷雾空间分布不均问题;3D打印喷嘴表面粗糙度较高,使得喷嘴流量系数比设计值低3%左右;在喷嘴同轴度较好的前提下,加工方式对雾化锥角及雾化粒径影响较小。     

凝胶燃料的雾化特性表征

在当前凝胶燃料研究中,重点是研究凝胶推进剂雾化过程的流变特性.实验证明假塑性的、有粘性但无弹性的水凝胶具有同牛顿液体一样的雾化模式,只是它们的雾化过程难度较大.实验结果说明雾化过程深受燃料中凝胶含量和喷注器几何形状的影响.由于凝胶组分含量升高引起剪切粘度升高,索太尔平均直径(SMD)也随之增加.宽角度的收敛流喷注器需要较小上游压力来达到与三个一组对称喷嘴相同的雾化性能.本研究还验证了通过凝胶剂融合来达到理想的流变特性.     

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50～60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。     

凹进和非凹进旋流同轴式喷嘴的比较研究

试验评定了液氧/氢旋流同轴式喷嘴的燃烧性能。水/氮气的冷流试验发现液氧出口凹进的旋流同轴式喷嘴的流动具有自身脉动的特征。在2.6和3.5MPa 室压、850和500N 推力、4.0～8.0混合比的条件下进行单喷嘴燃烧室的燃烧试验。试验中测量、分析了每种喷嘴燃烧室壁的燃烧性能、室压分布及热载荷。结果表明:对于直流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受蒸发效率所控制;对于旋流同轴式喷嘴,燃烧性能主要受混合效率所控制。已发现凹进旋流同轴式喷嘴的燃烧室壁的热负荷明显地增加了,并且在某些状态下还出现了不稳定燃烧。     

氢氧同轴式喷嘴燃烧性能试验研究

为了研究氢氧直流同轴式喷嘴的结构参数和工作参数对燃烧性能的影响,进行了热试验和分析,并拟合出了喷嘴缩进深度、速度比和动量比与燃烧效率的关系。研究表明：氧喷嘴缩进深度、氢氧喷射速度比和动量比等是影响氢氧同轴式喷嘴燃烧性能的主要因素,其中喷嘴缩进深度的影响最为显著。     

液氧甲烷单喷嘴燃烧性能数值仿真研究

为了研究液氧甲烷同轴剪切式喷注器结构参数变化对燃烧性能的影响,以单喷嘴为物理模型进行了燃烧数值仿真.研究表明：适当增加氧喷嘴出口壁厚和增加喷嘴个数均能提高喷注器燃烧效率,其中增加喷嘴个数对燃烧效率的影响更为显著.     

预剪切对凝胶汽油雾化特性影响的实验研究

为研究预剪切对凝胶汽油雾化特性的影响,在已有的双股撞击式喷嘴雾化系统上设计并加装预剪切管。采用Malvern粒度仪和粒子图像速度仪(PIV)分别测量了凝胶汽油雾化场液滴的粒径和速度分布。结果表明,预剪切管对凝胶汽油的撞击式喷嘴雾化具有重要影响:一方面,预剪切管减小了凝胶汽油的表观粘度,利于雾化过程中液滴的破碎和剥离;另一方面,预剪切管增大了流动阻力,导致凝胶汽油射流动能降低和雾化后的液滴速度降低,不利于雾化。合适的喉部长度与喉部直径能够有效降低雾化流场液滴索太尔平均直径。实验数据表明,加装喉部直径为3~4 mm,喉部长度为10~20 mm的预剪切管最有利于改善雾化效果。     

反压环境舱的设计及在雾化实验中的应用

介绍了反压环境舱的设计思路、结构特点及其在喷嘴特性研究过程中的应用.环境舱包括:舱盖提升机构、舱体移动机构、喷嘴调节装置、气幕隔离装置、视镜和散光装置.所设计的环境舱视镜通光直径为110mm,环境压力高达6.0MPa.实验结果表明,反压环境舱能配合高速动态分析系统完成高压环境下流量和雾化性能实验.     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性对比实验

对液体中心型同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性开展了实验研究。采用高速摄影捕捉瞬态喷雾过程,通过Matlab程序获取了相应雾化锥角并与单喷嘴进行对比;采用激光粒度仪测量了双喷嘴近场区域液雾索泰尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD),借此分析了单喷嘴与双喷嘴雾化锥角产生差异的机理。结果表明:随着气液比的增大,双喷嘴较单喷嘴的雾化锥角增加;双喷嘴间形成的复杂湍流区致使喷嘴间索泰尔平均直径小于喷嘴外侧;喷嘴间粒径较小,易受到湍流区的卷吸作用,致使两喷嘴内侧喷雾锥角增大。     

燃气蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟

水下发射的燃气.蒸汽式发射动力装置内是一种包含了高温高压燃气湍流流动、冷却水射流的形成、喷嘴出口处的一次雾化、在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化、含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程.应用CFD技术对水下发射试验低压强点和高压强点进行了含相变的三维两相加质流场数值模拟.结果表明,采用雾化理论和数值仿真技术计算得到的流场形态、特征点状态参数以及冷却水汽化情况等与试验结果基本吻合,这种新的计算方法可作为发射动力装置研究的一种有效手段.     

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明：当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500～3 000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3 000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。