液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。     

多排切向通道敞口型离心喷嘴的动态特性研究

从理论上对具有多排切向通道的敞口型离心喷嘴的动态特性进行了分析,推导出具有多排切向通道的敞口型离心喷嘴动态特性的计算公式。选取了具有两排、三排切向通道的敞口型离心喷嘴和普通敞口型喷嘴为算例,分别计算了若干种不同切向通道间距离的敞口型离心喷嘴和普通敞口型离心喷嘴的动态特性,算例计算结果表明,调整切向通道之间的轴向距离,可以使喷嘴滤除一定频率的扰动波。     

喷嘴式隔板与纵向肋式隔板阻尼效应分析

利用声学模型和单喷嘴声学模拟试验研究了喷嘴式隔板的耗散机理;用数值方法分析了纵向肋式隔板周围的涡流;用声学理论研究了纵向肋式隔板的声场。研究结果表明:选取合适的管间隙将会使喷嘴式隔板具有更好的稳定性作用;肋片周围是涡流产生的主要区域;肋高对燃烧室声学特性的影响远大于肋长。     

同轴剪切喷嘴高频喷注耦合燃烧不稳定分析

同轴剪切喷嘴在大推力氢氧发动机及液氧甲烷发动机上得到了广泛的应用,研究表明,当同轴剪切式喷嘴的中心氧喷嘴喷注过程与燃烧室的声学振荡发生耦合时,容易发生高频喷注耦合燃烧不稳定。高频喷注耦合燃烧不稳定一般无法通过隔板、声腔等传统燃烧稳定装置解决,需要在设计喷注器时采取相应措施。通过求解喷嘴导纳得到了喷嘴的固有声学频率,并与冷态声学试验结果和缩比喷注器热试结果进行了对比,表明吻合较好。研究了氧喷嘴长度、氧喷孔环直径、氧喷前温度和氧喷前压力等因素对氧喷嘴声学频率的影响,结果表明:增大氧喷孔环直径、提高氧喷前压力以及减小氧喷嘴长度、降低氧喷前温度可以提高氧喷嘴声学频率。     

空气加热器声学振荡特性的数值计算

为研究空气加热器的声学振荡特性并为其设计和后续的试验方案提供借鉴,对空气加热器不同喷嘴位置处的喷雾火焰形成的声学振荡进行了数值仿真,重点研究了多个离散点处的不稳定特征以及燃烧室内的流场演化过程。仿真结果捕捉到了燃烧不稳定的典型特征,如起振、线性增长、稳定极限环;非稳态流场直观地展示出喷注面板中心位置处的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成二阶横向声学振荡,并且这种振荡形式具有从喷注面板向喷管入口传播的行波特征;离面板中心53.6mm的喷嘴形成的喷雾火焰容易形成一阶横向声学振荡,这种振荡形式没有明显的行波特征。     

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。     

液体离心喷嘴动力学特性理论分析

为了研究离心喷嘴在发动机动态系统中的作用,采用线性化法建立了液体离心喷嘴动力学模型,并推导了可以与其他环节相连的离心喷嘴传递矩阵模型。通过文献中的试验数据,验证了所提出的敞口型离心喷嘴模型的合理性。计算结果表明,在同样的压降和尺寸下,相对收口型离心喷嘴,敞口型离心喷嘴出口流量振荡幅值大大降低,滞后相位角较大。喷嘴与供应系统相互作用时,出口流量的谐振频率由供应系统的声学特性决定,但谐振峰幅值大小由离心喷嘴特性决定。增加喷嘴压降,则出口流量振荡幅值降低;在喷嘴压降不变时,提高发动机系统整体压力,则出口流量振荡幅值增大。     

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.     

火箭发动机部分进气涡轮设计与流动分析

根据某型液体火箭发动机总体性能及结构要求,采用一维方法设计了部分进气、圆锥形喷嘴、单级超声速冲击式涡轮。基于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对涡轮内部流场进行全三维粘性定常仿真计算及分析,并研究了不同转子叶栅通道面积变化方式对涡轮性能的影响。结果表明:部分进气涡轮内部流动流线不规则、存在较多漩涡流动、转子叶栅激波复杂、叶片通道内分离较为严重;喷嘴通道和转子叶栅通道内总压损失均在20%以上,其中转子叶栅通道损失更大;不同转子叶栅通道面积的变化方式对涡轮总体性能影响基本不大,但收缩-扩张型通道可降低流速,缓解气流分离,对降低叶片温差应力有一定帮助。     

大气中激光等离子体通道的传播特性分析

对大气中激光等离子体通道的传播终端特性进行了研究。建立了大气中激光等离子体通道的近似电磁模型,基于圆柱坐标系中纵向分量所满足的波动方程,给出了纵向场与横向场的关系,由边界条件导出了大气中激光等离子体通道的特征方程。特征方程的数值解获得了相应色散曲线。     

富氢/富氧燃气温度对同轴直流气-气喷嘴性能的影响

通过求解使用k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组对采用同轴直流气-气单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,对比分析了富氢/富氧燃气推进剂与常温氢气/氧气推进剂条件下的燃烧流场、燃烧室室壁和喷注面板处的燃气温度,研究了富氢/富氧燃气温度变化对燃烧流场和燃烧室热载的影响。数值结果表明:富氢/富氧燃气气-气喷嘴的燃烧性能较好,但热载较高;富氢/富氧燃气温度一定范围内提高对燃烧性能影响不明显,而热载增加。     

气液针栓喷注器在节流水平下的雾化角模型分析

为了实现气液针栓喷注器在节流水平下雾化角的准确预测,首先基于控制体分析从动量守恒出发建立了中心推进剂偏转角理论模型,在获得中心推进剂偏转角的基础上建立了雾化角理论模型,并通过试验结果引入变形因子C,最后根据试验结果和数值模拟结果验证了两个模型的准确性。结果表明：中心推进剂偏转角主要受节流水平影响,雾化角主要受动量比和中心推进剂偏转角影响;液束与气膜撞击后变形使液束有效动量小于初始动量,根据试验结果得到变形因子C=0.8,中心推进剂偏转角理论模型和雾化角理论模型的预测值均与试验及数值模拟结果吻合很好,模型可为气液针栓喷注器的理论研究和工程设计提供参考。     

同轴喷嘴自发激励高频燃烧不稳定性试验研究

为增进对液氧煤油火箭发动机同轴离心喷嘴燃烧不稳定性过程的理解,在大气环境下进行了同轴离心喷嘴的自发激励燃烧不稳定性试验。试验采用单喷嘴敞口模拟燃烧室,高温的氧气和空气混合物从同轴喷嘴的直流喷嘴喷注,高温的煤油蒸气从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注。通过逐步改变氧化剂流量使模拟燃烧室内产生自发激励高频燃烧不稳定性,使用脉动压力传感器和黑白高速相机记录稳定和不稳定燃烧工况下的脉动压力和火焰。研究发现：气气同轴离心喷嘴的自发激励高频燃烧不稳定过程呈现“滞后”现象;不稳定工况下的火焰均为脱口火焰,火焰特征长度约等于喷嘴出口到脱口火焰团上沿的距离;气气同轴离心喷嘴燃烧不稳定性的发生原因可以被认为是因混合特征时间与声学特征时间相关。     

气-气喷嘴结构分析

对以气氢/气氧为推进剂的同轴剪切、离心和同轴双剪切结构的喷嘴进行设计,分析了这三种结构型式的喷嘴结构尺寸;通过对同轴剪切式和同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟,研究喷嘴流量和结构对推进剂燃烧过程的影响。研究结果认为：同轴剪切式喷嘴结构简单;离心式喷嘴的流量系数小且带有旋流室,导致喷嘴的结构尺寸大;同轴双剪切喷嘴使推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下使推进剂达到高的燃烧效率。     

凝胶推进剂雾化研究现状及问题

简要介绍了凝胶推进剂的流变特性,将其流动过程分为三个阶段,列举出了适用于不同剪切速率下的本构方程。介绍了双股撞击式、三股撞击气动式、同轴离心式、脉动式喷注器凝胶推进剂雾化特性研究的现状,指出了影响雾化模式的多种因素及目前研究中存在的问题。     

Performance evaluation and parametric analysis on cantilevered ramp injector in supersonic flows

The cantilevered ramp injector is one of the most promising candidates for the mixing enhancement between the fuel and the supersonic air, and its parametric analysis has drawn an increasing attention of researchers. The flow field characteristics and the drag force of the cantilevered ramp injector in the supersonic flow with the freestream Mach number 2.0 have been investigated numerically, and the predicted injectant mole fraction and static pressure profiles have been compared with the available experimental data in the open literature. At the same time, the grid independency analysis has been performed by using the coarse, the moderate and the refined grid scales, and the influence of the turbulence model on the flow field of the cantilevered ramp injector has been carried on as well. Further, the effects of the swept angle, the ramp angle and the length of the step on the performance of the cantilevered ramp injector have been discussed subsequently. The obtained results show that the grid scale has only a slight impact on the flow field of the cantilevered ramp injector except in the region near the fuel injector, and the predicted results show reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the turbulence model makes a slight difference to the numerical results, and the results obtained by the RNG k−ε and SST k−ω turbulence models are almost the same. The swept angle and the ramp angle have the same impact on the performance of the cantilevered ramp injector, and the kidney-shaped plume is formed with shorter distance with the increase of the swept and ramp angles. At the same time, the shape of the injectant mole fraction contour at X/H=6 goes through a transition from a peach-shaped plume to a kidney-shaped plume, and the cantilevered ramp injector with larger swept and ramp angles has the higher mixing efficiency and the larger drag force. The length of the step has only a slight impact on the drag force performance of the cantilevered ramp injector. However, it makes a difference to the flow field in the vicinity of the fuel injector, and the subsonic region becomes narrower with the increase of the length of the step.