基于气助雾化喷射的柴油喷雾特性数值模拟

为对气助雾化喷射柴油的过程进行数值分析，借助计算流体力学仿真工具Fluent，在不改变喷嘴结构的情况下，建立考虑油气预混腔中柴油喷射过程的三维流体计算模型，研究定容弹内气助雾化喷嘴的柴油/空气两相流喷射过程，并且重点考察喷气压力、环境背压以及燃油温度对气助雾化喷射柴油喷雾特性的影响规律。结果表明：喷气压力对喷雾贯穿距离影响较大，喷气压力由0.65 MPa增大至0.75 MPa后贯穿距离增加12.2%，但柴油索太尔平均直径（SMD）只减小了5.2%，说明在保证燃油SMD处于较好水平时，喷气压力和环境背压绝对压力比值（气相压比）为7.5有利于减少气量消耗；环境背压对喷雾贯穿距离与燃油SMD影响显著，气相压比为1.875时，喷嘴出口处流场基本不会产生超声速气流，气动力降低显著影响了燃油液滴破碎过程，使喷射时间在4 ms时的SMD达到40.7μm；燃油温度对喷雾贯穿距离影响不大，但对燃油SMD影响较大，燃油温度升高后燃油SMD显著减小，323 K对应的SMD比293 K时减小了12.3%，喷射时间在4 ms时的SMD达到14.9μm，燃油蒸发质量分数达到36.93%。     

微型燃烧室蒸发管燃油雾化和蒸发特性数值研究

为了探究微型燃烧室内蒸发管各参数变化对燃油雾化和蒸发效果的影响,对微型燃烧室蒸发管内的燃油流动、雾化、蒸发过程进行了数值模拟,并分析了燃油喷射方向、蒸发管直径及来流空气温度对蒸发管内部燃油雾化特性的影响。结果表明:与其他喷射方向相比,逆向喷射时燃油雾化蒸发效果最佳;随着蒸发管直径的减小,燃油液滴的雾化效果及蒸发率有很大提高;来流空气温度越高,燃油蒸发率越高。     

涡轮级间燃油雾化特性数值研究

为实现航空发动机加力燃烧室的无稳定器燃烧组织,以加力燃烧室燃油在涡轮内提前雾化蒸发特性为研究对象,采用经过试验验证的数值模拟方法,对燃油喷雾在涡轮级内的流动雾化特性及影响因素开展数值分析。在不同来流温度条件下,考察了燃油在静子流道的展向、周向和轴向不同喷入位置的运动轨迹、粒径分布和涡轮出口气态燃油浓度分布。研究结果表明,喷雾位置和来流总温对燃油雾化特性都存在影响,具体表现在:(1)不同展向位置的燃油雾化特性相似;(2)吸力面燃油雾化质量优于压力面;(3)在喉道附近的燃油雾化质量优于叶片前缘和尾缘;(4)在雾化过程中的不同时段,液滴数量的变化是破碎与蒸发的竞争机制影响的结果;(5)提高来流总温可以提高雾化质量。另外,涡轮内非均匀流场中各位置温度与速度对燃油雾化蒸发影响的比重不同,在同一来流总温条件下,速度对燃油雾化的影响大于温度。     

气助式直接喷射喷油器动态喷雾场数值模拟及试验

为了研究小型飞机发动机气助式直接喷射(air-assisted direct injection,AADI)喷油器喷雾形态及发展规律,采用数值模拟和高速摄影技术对其动态喷雾场进行研究.以锥阀运动的物理学模型为数值计算的移动边界条件,结合动网格技术对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、静动压分布和不同时刻雾化颗粒的空间分布进行动态数值模拟分析.以0.2ms为步长,对3.0ms内不同锥阀开启时刻的喷雾形态、雾化颗粒和贯穿距离进行了试验和仿真对比分析.结果表明:采用CFD仿真模拟技术可对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、压力分布、喷雾形态等参数进行定性分析,有利于揭示喷雾的发展规律,同时通过对喷雾粒径和贯穿距离的定量对比分析,表明了仿真计算的精确性,数值模拟计算与试验结果误差小于5%,满足工程应用的要求.      

汽油液膜喷射和圆喷射雾化过程的PIV测量对比研究

利用PIV设备,在相同喷射压力和不同喷射脉冲下对分属液膜射流和圆形射流两种理论喷射类型的典型喷油器-涡旋喷孔和双喷孔喷油器的汽油雾化性能进行对比研究。研究表明：涡旋射流的油锥前锋以及外缘部分的油膜破碎均匀且雾化效果较好;双孔射流的雾化油滴粒子都集中分布在喷射中心线上,且油膜连接比较完整,雾化效果较差。涡旋射流雾化粒子的速度场分布比较膨胀和发散,而双孔射流的雾化粒子集中分布在中心线上（与浓度分布规律一致）;相同时刻,双孔射流雾化粒子的速度绝对值最大值均明显大于涡旋喷孔。针对两种喷嘴都存在：喷射过程中越靠近喷嘴出口处的区域速度绝对值越大,而停喷后,高速区都集中在喷雾的前锋;在一定的喷射压力下,喷射结束时的贯穿距离与喷射脉宽基本呈正比关系。     

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

往复式汽油直喷发动机燃油喷雾特性研究

通过试验研究了高压燃油喷射系统和涡旋喷油器的喷雾特性,在不同喷射压力、背压压力和喷油持续期条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的雾态燃油进行了喷雾贯穿距离、喷雾锥角、喷雾远端燃油发展速度和液滴特性等参数的测量.试验结果表明在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;然而在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.低背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的远端,而在高背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的中部.      

直射式喷嘴喷雾特性的实验研究

用二维激光测速测粒仪,对直射式喷嘴在横向气流中所形成喷雾的粒度、平均和脉动速度,以及浓度进行了测量。研究了喷雾的结构,气流速度以及喷射方向对喷雾特性的影响,不同直径的粒子在横向的扩散。为两相流模型的研究以及数值计算结果的验证提供实验数据。      

KH-RT模型在横向来流作用下射流雾化过程的应用

针对射流柱在横向来流下的破碎过程,采用欧拉-拉格朗日模型对其进行了数值模拟。其中射流柱的一次雾化采用WAVE模型,颗粒的二次雾化采用KH-RT混合模型。计算得到的液滴颗粒平均直径在70μm左右,还得到了雾化场的喷雾结构、速度分布、索特尔直径分布,以及射流柱在不同来流速度下破碎过程等。同时通过采用不同二次破碎模型,分别将计算结果与试验结果进行对比,结果表明采用的KH-RT混合雾化模型在一定程度上能够更加真实地反映雾化过程,并较好地捕捉射流雾化特点。     

燃油喷嘴雾化特性试验研究

为了检验某型航空发动机燃油喷嘴改进设计效果,利用相位多普勒粒子分析仪对燃油喷嘴的雾化性能参数进行试验研究。得到雾化液滴的索太尔平均直径的空间分布、轴向平均速度、脉动速度及其湍流度的分布情况。结果表明:轴向平均速度呈凹盆状分布,脉动速度呈双峰状分布;喷雾中心湍流度大,喷雾边缘湍流度小。随着供油压力增大,在相同测试截面上,喷雾的范围和中心区域粒径变大,边缘位置粒径变小。在相同供油压力下,随着与喷嘴距离的增加,喷雾范围增大,喷雾的轴向平均速度和脉动速度减小,轴向速度的湍流度波动幅度减小。     

冲压发动机驻涡燃烧室燃烧性能试验

针对某冲压发动机驻涡燃烧室模型,进行了不同进口温度、进口速度系数和余气系数下燃烧室燃烧性能的试验研究,研究结果证明:随着进口速度系数的增加(0.20~0.35),点火总油气比和贫油熄火油气比增加,燃烧效率变化不明显;随着进口温度的增加(573~773K),点火总油气比和贫油熄火油气比下降,燃烧效率提高;随着余气系数的增加(1.1~2.1),燃烧效率提高.试验中获得最小点火总油气比为0.0035,最小贫油熄火油气比为0.0028,最高燃烧效率93%.研究证明了驻涡应用于冲压发动机燃烧室的可行性.      

变结构RBCC发动机亚燃模态全流道数值模拟研究

变结构燃烧室是提高宽范围工作火箭基组合循环（Rocket-Based Combined-Cycle,RBCC）发动机性能的有效途径之一,本文旨在通过全流道三维数值模拟的方法研究变结构RBCC发动机在低来流马赫数条件下燃烧室与进排气匹配状况,以及研究采用变结构燃烧室进行亚燃模态可靠燃烧组织的可行性。针对Ma3来流,研究了火箭冲压和纯冲压燃烧模式下的发动机性能,并实现了燃烧室工作模式的转变。通过本文的研究工作得到以下结论：（1）在火箭冲压工作模式下,一次火箭小流量工作能够提高二次燃料的燃烧效率,冲压燃烧室比冲性能较优,燃烧室与进排气能够匹配工作。（2）燃烧室工作在火箭冲压模式时,采用燃料支板集中喷注燃料的性能优于隔离段和燃料支板分散喷注时性能;发动机工作在纯冲压模式时,燃烧效率将会下降,并且发动机冲压比冲比火箭冲压工作模式下降10.2%,全流道比冲则上升14.5%。     

进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

为了研究进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响,实验在单头部燃烧室上测量了不同进口温度下的动态压力,并采用理论分析了进口温度对压力振荡的影响。实验结果显示:该燃烧室出现的燃烧不稳定性呈现的是Helmholtz模态,并且随着进口温度从530K增加至650K时,压力脉动主频增加,幅值减小。分析表明:进口温度的增加会增强燃油的雾化和蒸发,进而加强其与空气的掺混均匀性,减小了当量比脉动,从而抑制了燃烧不稳定性,压力振荡幅值减小。      

凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室性能

为了避免基于凹腔火焰稳定器的亚燃冲压燃烧室壁面喷注时燃料与主流空气掺混非均匀性问题和提高燃烧室的性能,提出在亚燃冲压燃烧室中使用支板喷注代替壁面喷注的方案,数值模拟了凹腔/支板结构亚燃冲压燃烧室中燃料分布及流场结构,并分析了支板结构对燃料空气混合及燃烧室性能的影响。研究表明:支板虽然使燃烧室出口的总压恢复系数相对于壁面喷注方式下的降低了63%,但能使燃料均匀分布于整个流道内,增强了燃料与空气掺混,使燃烧室出口的混合效率和燃烧效率分别提高了21.4%和20.5%。燃烧效率的提高弥补了采用支板导致的燃烧室内气流的额外总压损失所带来的机械能损失,使得支板喷注时燃烧室出口的比冲提高了39.6%。因此,在亚燃冲压燃烧室中设置凹腔/支板结构,有利于提高燃烧室整体性能。      

复合式收扩套筒空气雾化喷嘴燃烧室点火研究

复合式收扩套筒空气雾化喷嘴中, 副油路是一个单油路离心喷嘴, 主油路采用双旋流空气雾化, 喷嘴是直射式.在点火研究中, 只是单油路离心喷嘴工作.实验用的燃烧室是一个单头部矩形燃烧室, 在燃烧室进口温度为常温, 进口压力为常压, 燃烧室压力降0.9%9.0%的试验条件下研究了复合式空气雾化喷嘴燃烧室的点火性能.在同样条件下, 研究了复合式空气雾化喷嘴的雾化性能并总结了经验关系.分析了影响点火的主要因素, 通过整理雾化数据, 以Lefebvre点火模型为基础, 总结了该类燃烧室点火经验关系.      

冲压发动机进气道/燃烧室/尾喷管耦合流场计算

采用耦合求解的方法进行了冲压发动机进气道/燃烧室/尾喷管流场一体化计算,进气道采用单一气体、变比热比模型,燃烧室和尾喷管采用多组分化学动力学模型,湍流模型为k-g湍流模型。进气道与燃烧室界面通过流量、静压等参数实现耦合。结果表明,通过合理设计参数的传递方式,可以快速实现进气道/燃烧室/尾喷管流场的耦合求解,流场分布合理。     

亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温试验研究

亚燃冲压燃烧室在高空、高马赫数下工作时,其进气温度很高,冷却空气量少,给冷却设计带来很大困难.本文通过试验,研究了热障涂层和两种不同燃油喷射方式对某型亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温的影响.结果表明:热障涂层对降低隔热屏壁温有一定的作用,喷油孔分布均匀的燃油喷射装置对冲压燃烧室冷却设计更有利.本研究可为亚燃冲压燃烧室的冷却设计...     

三种燃料在亚燃冲压燃烧室中的高空点火特性

为评估三种液体燃料(航空煤油(RP-3)、高热氧化安定性燃油(RP-3+100)以及煤基合成油(LUAN))的点火特性,在一种小型亚燃冲压燃烧室中开展了高空点火试验。研究表明:三种燃料在所选的试验条件下,均可以实现可靠点火。随着入口气流温度、压力的增加,三种燃料的点火当量比范围增加;随着入口气流速度的增加,三种燃料的点火当量比范围减小。RP-3+100在不同条件下均具有最高的点火当量比范围,RP-3与LUAN的点火当量比范围较为接近。当入口气流温度、压力和速度发生改变时,RP-3+100点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最低,RP-3点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最高。     

低马赫数下多凹腔燃烧室非稳态燃烧过程

作为稳定火焰的有效手段之一,凹腔构型在冲压发动机燃烧室研究中占有重要地位。在对以煤油为燃料的多凹腔燃烧室冷/热态流动特性分析的基础上,重点研究低进口马赫数条件下燃烧室点火起动初期非稳态过程。结果表明：上游凹腔内大涡结构有助于提高燃料的驻留时间,未燃混气被高速主流带入下游凹腔内继续反应,进一步提高燃烧效率;燃油喷射速度决定被卷吸进回流区的燃油质量分数的大小,进而影响燃烧效率高低;燃烧室点火起动初期出现了主流熄火、火焰逆流传播以及主流再着火等复杂现象,火焰逆流传播现象是在上游凹腔内燃料自燃与下游燃烧释热压缩来流两种机制共同作用下完成的。     

模型冲压发动机低压条件下燃烧效率试验

在亚燃冲压发动机直连式高空试验系统上,实现了模型冲压发动机在40～60 kPa条件下的点火和稳定燃烧,研究了燃烧室构型、燃烧室入口来流条件以及燃料当量比对燃烧效率的影响。试验结果表明:低压条件下的燃烧效率比常压和高压条件下的燃烧效率都要低;但低压条件下燃烧效率随燃烧室构型、模拟来流条件和燃料当量比的变化规律与常压和高压下的情况基本一致,增加燃烧室长度、提高来流总压和总温、增大燃料当量比,降低飞行高度,以及增强煤油的雾化和混合,都有利于提高燃烧效率;与常压和高压下的情况不同的是减小凹腔长深比能进一步提高燃烧效率。