工质粘性对两股射流撞击雾化特性影响试验研究

为揭示工质粘性对两股射流撞击雾化特性的影响规律,在大气开放环境下开展了不同粘度系数工质的射流撞击雾化试验。由相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了撞击点下游10 mm,20 mm,30 mm与40 mm平面位置处液滴的粒径分布和速度分布等信息。试验结果表明:粘度系数增大,雾场某点处的液滴粒径有增大的趋势,运动速度有减小的趋势;雾场液滴粒径达到平衡状态时与撞击点的距离将会增加;撞击点下游某一平面的液滴平均运动速度将会减小;当粘度系数一定时,距离撞击点越远,该平面的液滴平均运动速度越小。     

凝胶模拟液液滴碰撞的SPH数值仿真

雾化问题是凝胶推进技术研究的关键问题,雾化过程中不可避免地会出现液滴的碰撞。通过SPH方法对凝胶推进剂模拟液液滴的碰撞过程进行了数值模拟。针对气-液交界面处存在较大的密度、粘度梯度,对传统SPH方法做出改进。在此基础上,对空气中两个同尺寸的凝胶液滴碰撞过程进行了数值模拟,并与水滴的碰撞进行了对比,分析了凝胶推进剂的流变特性对于碰撞结果的影响。结果表明,凝胶液滴的碰撞动能在高粘度的作用下迅速耗散,液滴碰撞后,更易发生聚合,进一步增加了凝胶推进剂雾化的难度。     

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。     

单股自由圆射流撞壁雾化实验

利用直流撞击式喷注器组织燃烧的发动机推力室喉部材料耐温极限制约了发动机燃烧效率提升,一种新型高性能直流冷壁式喷注器可以解决这一问题,为了指导这种新型喷注器的设计,从射流撞击雾化实验出发,探索了圆射流撞壁雾化规律。采用高速摄影捕获溅射雾化场整体形态,利用收集法测量溅射雾化率,选用PDA和PIV分别测量溅射液滴粒径及速度矢量。研究结果表明:射流撞壁后存在溅射,溅射液滴局部呈现螺旋状,液滴粒径为几十微米量级,溅射雾化率随撞击距离的变化规律可分为4个典型阶段:初始段、发展段、稳定段、衰减段,湍流动能为溅射雾化率的决定因素。     

雾化过程中气体流场的实验研究

气体雾化金属熔体是喷射沉积快速凝固工艺中的一个关键过程，研究气体雾化过程对改善喷射沉积材料的组织和性能有着重要意义。通过对三种不同结构的气动雾化器气体流场进行实验研究，着重考察了雾化器结构、雾化压力等因素对雾化过程气体流场的影响规律。     

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。     

雾化锥角对喷雾在横流中蒸发掺混的影响

通过数值模拟方法研究了雾化锥角对蒸发的喷雾液滴群在横流气体中掺混特性的影响,寻求强化掺混和提高温降效果的雾化锥角。提出了评价掺混水平的方法,在与实验吻合的基础上,获得了40°、60°、80°、90°和100°雾化锥角下气相温度的概率分布函数规律、流场结构和两相掺混度曲线。结果表明,随雾化锥角增大,温降效果提高,而掺混度先增大,雾化锥角90°时达到最大值,继续增大雾化锥角,掺混度降低;小雾化锥角时产生对称多涡对结构,在一定区域内促进掺混,而较大雾化锥角时产生混乱的多尺度涡结构,有利于整个掺混截面的温度均匀分布;综合考虑掺混度和温降效果,90°～100°为优化喷雾雾化角。     

凝胶推进剂模拟液静电雾化行为规律研究

针对凝胶推进剂雾化困难的问题,引入静电喷射技术雾化凝胶推进剂。以水凝胶模拟液为介质,探究静电雾化技术的可行性及试验条件,当收集距离2~5 cm、供液速率10~30μL/h时,凝胶模拟液可实现稳定雾化,收集液滴直径小于100μm,散射角分布在8°~36°之间,收集液滴直径和散射角均随收集距离的增大和针管直径的减小而减小;同样条件下,凝胶粘度越小,散射角和雾化液滴直径越小。在此基础上,针对单针管推力小的问题,分析使用多针管喷头进行凝胶推进剂静电雾化的可行性及其雾化区域分布,结果表明2号凝胶模拟液用于多喷头雾化可得到良好的雾化区域分布,适用于凝胶推进系统之中。     

气相速度脉动对JP-10液滴破碎的影响

在不同时均气相速度、初始液滴尺寸和速度脉动频率条件下,研究了气相速度脉动对JP-10液滴破碎速率的影响。计算结果表明,低时均气相速度时,小尺寸液滴较难破碎;达到破碎条件的情况下,随着脉动强度的增大液滴破碎所用时间缩短,而气相速度脉动频率对JP-10液滴破碎的影响不明显。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

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。     

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。     

喷嘴入射方式对气体-液滴群掺混的影响

通过数值模拟的方法从冷态方面研究了金属/水反应冲压发动机二次掺混室内横流气体和通过压力旋流喷嘴雾化的液滴群的掺混情况.提出了掺混度、不均匀浓度因子和等浓度线这3种特征量作为评价指标,分析了不同喷嘴入射角度情况下,液滴群对横向交叉气流的影响以及气流对液滴群掺混的作用.结果表明,液滴群的加入使气流中产生了尺度不同的涡,促进了湍流;喷嘴附近的掺混初始阶段,大涡作用使液滴分布很不均匀,喷嘴下游,涡的尺度减小,对液滴的扩散影响减弱,但初始的喷雾形态和液滴趋向高应变和低涡量区域造成了壁面处液滴浓度仍然高于其他区域;喷嘴垂直无偏入射的掺混优于轴向或切向入射;轴向向上游偏转入射优于向下游偏转入射;切向偏转角度越大,越不利于掺混.     

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。     

超声速横向气流中喷雾的数值模拟

对超声速横向气流中的喷雾过程进行了数值模拟,采用二维N-S方程计算气相,应用一次雾化模型和二次雾化模型模拟了喷雾雾化过程,并与实验测量结果进行了对比。研究了湍流度和附面层厚度对液雾穿透深度的影响,发现湍流度和附面层厚度并不是主要的影响因素,认为雾化模型是影响液雾穿透深度的关键因素。     

撞击式喷注器液体火箭发动机燃烧不稳定性机理

本文对燃烧过程进行探索,而燃烧过程决定了液体火箭发动机的燃烧不稳定性.为了深入地阐明燃烧不稳定性机理,采用一种能够准确预测各种擅击式喷注器的推力室最可能维持的燃烧不稳定性振型的经验相关式,与特征时间分析法结合,形成一个燃烧稳定性的试验研究大纲.在初步研究结果的基础上,对撞击式喷注器射流的雾化特点进行广泛而深入的研究.在冷试中测量了液雾扇破碎长度、液滴尺寸分布以及雾化频率.观测到三种非常有意义的现象:雾化频率与稳定性相关式所预测的最可能发生的燃烧不稳定性的频率相似;随着平均液滴直径尺寸的增加,所预测的稳定燃烧的裕度相应增加;随着液滴尺寸分布的散布度的增加,所预测的稳定燃烧的裕度也相应增加.这些所观察到的现象与燃烧不稳定性理论相当一致,从而说明,周期性的雾化过程和高的能量释放密度是燃烧不稳定性机理中的两个关键因素.     

N2O/C3H8发动机气液同轴离心式喷嘴喷雾性能数值模拟研究

采用数值计算方法对氧化亚氮/丙烷（N2O/C3H8）发动机样机气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能进行了研究,得到了环缝外喷嘴气相喷注压降和内喷嘴缩进深度对离心式喷嘴喷雾流场的影响.分析结果表明,较低的气相喷注压降（＜0.3 MPa）会显著的影响液滴在流场中的蒸发速率以及流场流强、混合比、索太尔平均直径（SMD）和n值的分布;气相喷注压降从0.3 MPa增加至0.6 MPa,稳定喷雾流场液滴SMD和n值分别在2.41～1.68,2.03～0.98范围内变化并逐渐减小.内喷嘴缩进深度从0 mm增加至6 mm,稳定喷雾流场液滴的SMD和n值受其影响较小,均分别在1.70～0.94,2.36～0.99范围内波动.喷嘴的最佳燃烧区主要分布在下游轴向位置0.015～0.035m范围内并随着气相喷注压降的升高和内喷嘴缩进深度的增大逐渐靠近喷嘴出口.该设计喷嘴在发动机热试实验中表现出很好的性能.     

液体火箭发动机高频燃烧不稳定性预测

本文描述了一种预测液体火箭发动机非线性燃烧不稳定性的数值方法,重点研究非线性燃烧不稳定性的各种现象,包括瞬态的、有限周期压力振荡、稳定和非稳定工况下声学振荡对推进剂液滴雾化和燃烧过程的影响、燃烧过程中的振荡流场、燃料液滴的轨迹、设计参数如入口条件、雾化初始条件和隔板长度等的影响。对几种工况和各种燃烧参数的计算表明该数值方法能成功地预测液体火箭发动机切向燃烧不稳定性。隔板长度及液滴尺寸对发动机的稳定性有明显的影响,数值结果表明隔板能有效抑制压力振荡。     

压力振荡环境下液滴非平衡蒸发过程的理论分析及试验研究

对压力振荡环境下液滴蒸发过程进行了理论分析与试验研究。结果表明,压力振荡会引起液滴周围表面边界层内蒸气质量分数的振荡,从而导致由扩散控制的蒸发速率发生振荡。此外,压力下降引起的气相场内力的不平衡会驱动蒸气从边界层内流入气相场,使蒸发速率的最大值出现在压力下降的过程中,试验研究结果和理论分析所得结论吻合较好。     

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。