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。     

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。     

液液针栓多喷注单元喷雾场数值模拟

为了研究相邻喷注单元间相互影响对针栓式喷注器喷雾场的影响,以平面针栓多喷注单元为研究对象,采用基于AMR(adaptive mesh refinement)技术和分相识别的PLIC VOF(piecewise linear interface calculation VOF)新方法,实现了针栓式喷注器雾化过程的高保真数值模拟。给出了喷雾场典型的结构特征及液雾的分布特性,对比了多喷注单元与单喷注单元喷雾场的差异,揭示了相邻喷注单元间的相互影响机制。研究表明,新的仿真方法在精细研究针栓式喷注器喷雾场方面具有较好的准确性。与单喷注单元相比,多喷注单元喷雾场主要存在以下特殊结构：相邻两雾扇相撞背部呈脊状结构,使得雾化区域大于雾化角;两雾扇相撞在中间对称面汇聚形成薄液膜,使整个雾化角范围内均有液滴分布;相邻两孔之间形成一定下漏率和下漏液膜宽度;液膜路和液束路的液滴粒径均显著增大了约35%,流强和混合比沿径向分布更趋于均匀。相邻喷注单元间的相互影响机制为：相邻喷雾扇相撞后原先各自向外展开的雾扇被挤回中心对称面,其厚度是原雾扇的两倍,其他未发生撞击位置的液膜厚度保持不变,最终形成的喷雾扇结构呈扁平的...     

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。     

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。     

气氧/气甲烷针栓发动机燃烧过程数值仿真研究

为了研究气氧/气甲烷针栓发动机的燃烧特性,建立了气氧/气甲烷针栓发动机二维轴对称数值计算模型,湍流模型采用标准的k-ε双方程湍流模型,燃烧过程采用一步总包化学反应机理的涡耗散模型进行处理。数值仿真结果表明,针栓发动机在氧气和甲烷燃烧反应稳定时会产生较大的火焰锥角,温度场呈现带状分布,燃烧室内部流场存在两组回流区;随着喷孔位置远离针栓头部,燃烧效率增加,但火焰锥角不变;而环缝宽度增加,燃烧效率降低,火焰锥角增加;相反喷孔直径增加,燃烧效率增加,火焰锥角减小;在一定范围内燃烧效率随着火焰锥角增加而减小。     

真空环境下液体射流雾化特性的实验研究

为研究真空环境下液体的雾化特性及其影响因素,建立了真空环境喷雾实验系统。用水模拟液体推进剂,真空环境舱的初始真空度小于10Pa,采用高速动态分析系统测量了喷雾场。结果表明,真空环境下液体射流的闪蒸是其破碎与雾化的主要因素之一;喷射速度较低时喷口发生结冰现象;随着喷射雷诺数的增大,破碎长度变长而雾化锥角减小;喷射速度相同时,喷嘴直径增大,破碎长度和雾化锥角随之增大。     

结构参数对可调节针栓喷注器喷雾特性的影响

为揭示结构参数对可调节针栓喷注器喷雾特性影响规律,综合采用高速摄影和Malvern技术,对液/液针栓喷注器进行雾化试验,分析阻塞比、套筒扩张角等结构参数对流量系数、喷雾锥角和SMD等指标的影响。试验结果表明:阻塞比和套筒扩张角对流量系数影响较大; 动量比相同时,阻塞比对喷雾锥角、SMD及空间分布影响较为显著,是由于局部...     

液液同轴离心式喷嘴喷雾过程研究进展

内部流动主要研究了流量系数、液膜厚度和气核半径,分析了内部流场,少量研究涉及内外喷嘴液膜互击、液膜表面波振幅和频率等方面。液液喷嘴外部液膜流动及喷雾特性的研究开展较多,观测了不同工况、结构参数下内外液膜流动形态,少数学者使用理论方法分析了液膜破碎机理。对喷雾特性的研究主要是获得了喷雾锥角、破碎长度、液膜振荡频率等的变化规律,并进一步研究了SMD、液滴速度、混合特性等的变化规律。     

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。     

射流撞击雾化液滴运动过程与粒径分布特性的试验研究

在大气环境下,以水为介质,采用PDPA和高速动态分析系统,针对直流撞击式喷注单元的雾场结构进行试验研究,获得了雾化液滴速度分布、粒径分布等试验参数。从液滴运动及液滴大小分布的角度针对撞击雾化液膜破碎成液滴的过程进行了分析,发现水平面上雾化液滴的径向速度以原点为中心对称,且随离原点距离增大而增大;初始雾化阶段的粒径大小分布则与径向速度分布相反。分析认为是液膜运动过程赋予了雾化液滴的初始速度,并影响了初始雾化液滴的分布特性。     

湍流、喷雾模型对氢氧火箭发动机燃烧仿真的影响

基于完善的压力隐式算子分裂(PISO)算法,通过改变κ-ε两方程湍流模型和喷雾模型,对氢氧火箭发动机不稳定燃烧进行数值仿真。比较理论分析和数值仿真的结果得出,在二维情况下,液滴碰撞模型和TAB液滴破碎模型不适于模拟氢氧火箭发动机不稳定燃烧;TVB液滴破碎模型与κ-ε两方程湍流模型的组合情况能够捕捉到燃烧室中的压力振荡,但不能体现出振荡频率;而采用Realizableκ-ε湍流模型不考虑液滴雾化模型时不但能够捕捉燃烧室内压力振荡情况,还能够很好地得出振荡频率的分布情况。     

氢氧火箭发动机喷雾演化过程作用机理

高压超临界喷雾演化过程作用机理是氢氧火箭发动机燃烧不稳定性机理分析、提高燃烧 效率研究的基础。为探讨高压条件下液氧喷雾演化过程的主要作用因素,引入气液同轴喷嘴 雾化模型和高压蒸发模型,考虑超临界条件下液氧／气氢气液平衡及其物理属性,对氢氧火 箭发动机单喷嘴工况条件下喷雾燃烧过程进行了一体化三维数值仿真,得到了液氧喷雾液滴 分布和燃烧流场参数,综合分析了液氧液滴蒸发率、氢氧化学反应率、混合燃气涡量分布与 液氧喷雾尺寸、数量的变化规律,提出了液氧喷雾演化过程六个作用因素不同的阶段。
     

螺旋离心式喷嘴雾化特性试验与仿真研究

为了研究螺旋离心式喷嘴液膜形态及锥角变化规律,运用高速摄影仪与VOF方法对该型喷嘴进行了不同喷注压降及不同背压下的雾化特性试验与数值仿真研究。试验与数值仿真结果分析表明:提高喷注压降能明显加剧液膜一次破碎,缩短破碎长度,而提高背压对二次破碎的影响更明显,更有助于改善雾化效果;随着喷注压降与背压的提高,液膜锥角均逐渐增大,但改变背压对液膜锥角的影响明显小于改变喷注压降;液膜锥角沿轴向增大且变化率逐渐减小,最后锥角基本保持定值。数值仿真所得到的液膜形态及锥角与试验结果吻合较好。     

变推力液体火箭发动机中针栓喷注器研究综述

为总结变推力液体火箭发动机中针栓喷注器的研究成果和梳理未来的发展方向，本文综述了该领域的研究进展。首先介绍了针栓喷注器的基本概念和研究意义，然后从设计原理、工程研制、雾化特性和燃烧特性等方面介绍了针栓喷注器的研究历史和现状，最后展望了针栓喷注器的发展趋势及需要研究的一些科学问题。分析表明，液液针栓喷注器、气液针栓喷注器的雾化特性和燃烧特性都还需持续开展研究。雾化特性中特别需要关注的是雾化角、混合特性和下漏率，还要探索针栓喷注器在反压下的雾化特性。燃烧特性中需要深入研究温度分布、火焰结构和燃烧稳定性。     

离心式喷嘴的内部流场

马歇尔空间飞行中心进行了一系列的实验和分析,对切向进入式中心支柱,即在液体火箭中使用的典型的离心式同轴喷嘴的内部流场作了大量的研究。支柱由聚丙烯物质制成,水用作模拟液体流入周围大气的背压中。测量了轴向压力分布,支柱中形成的气涡形状,液膜速度分布以及喷雾镶空间质量流分布。离心式喷嘴帽采用了两种形式进行试验,一为九孔,一为三槽配制。基本的支柱直径为7.620mm,长度为139.827mm,支柱出口直径的缩小或扩大也进行了测试。在任何情况下,气涡都延伸至支柱的整个长度上。液膜厚度表现出离心喷嘴进口设计的有效性,液膜簿则相应喷雾锥宽。液流的一元可交面积模型的建立可预测稳态流场,并且有助于更进一步了解支柱液流对燃烧稳定性的影响。     

孔径比和动量比对双股射流撞击式雾化影响分析

采用移动粒子半隐式(MPS)法和GPU并行加速技术,对双股射流撞击式雾化过程进行了数值模拟,分析了射流孔径比和动量比的变化对雾化特性参数的影响。模拟成功捕捉到了典型工况下一次雾化液膜破碎成液丝、液丝进一步破碎成液滴的全过程。获得了喷雾扩散角、液膜破碎长度、雾化液滴索特尔平均直径和雾场偏斜角等雾化特性参数。数值结果表明,孔径比的变化会引起雾场一定程度的偏斜,形成凹形液膜;动量比主要影响雾场的偏斜程度,动量比从1.0变化到2.0时,雾场偏斜角从0°增加到21°;孔径比和动量比的增大会引起喷雾扩散角的增大,但变化幅度较小;孔径比和动量比的增大都会使得液膜破碎长度和雾化液滴的索特尔平均直径增大。     

火箭发动机喷雾均匀性数值分析

喷雾均匀性对火箭发动机燃烧室内掺混效率和燃烧强度有着重要影响。以火箭发动机为对象,研究了喷雾均匀性。为了对雾化场均匀性给出定量指标,对燃烧室横截面内周向和径向方向上进行区域划分,定义了能定量衡量雾化场均匀性的参数。利用商业软件对火箭发动机燃烧室内喷雾场进行了数值模拟,结果表明,合理调整喷嘴喷射角度,能够有效改善喷雾均匀性。     

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。     

液体火箭发动机初始雾化液滴分布预测

在简要描述使用最大熵原理预测初始雾化液滴分布的基础上,发展了较传统方法具有更大收敛域的数值计算方法,建立了离心式喷嘴雾化特性研究实验台,使用激光相位粒子分析仪进行了雾化粒径分布研究,结果显示实验数据同使用最大熵原理预测的分布吻合性较好,在此基础上最后提出了在液体火箭发动机雾化粒径分布预测应用中的策略。