切向孔单/双排布局对离心式喷嘴锥形液膜雾化特性影响

为了研究切向孔单/双排布局对离心式喷嘴雾化性能的影响,采用高速摄影仪对两种结构喷嘴形成的锥形液膜进行了拍摄分析,测量了不同压降下液膜的破碎长度、喷雾锥角、出口轴向速度以及表面波破碎点波长等雾化性能参数,并使用这些性能参数作为初始条件,求解了锥形液膜色散方程。结果表明:双排切向孔布局使得液膜雾化性能变差,体现为相同压降下喷雾锥角减小1°~2°,破碎长度增大,增大幅度最大达8.2%;色散方程求得的破碎点波长理论值与试验值吻合较好,验证了所用液膜破碎模型的有效性;单排切向孔喷嘴形成液膜的主导扰动波增长率大于双排切向孔喷嘴的主导波增长率,从直观上解释了单排切向孔喷嘴破碎长度小于双排切向孔喷嘴的原因。     

基于Gerris的离心式喷嘴锥形液膜破碎过程数值模拟

为了实现离心式喷嘴锥形液膜破碎过程的精细可视化和雾化特性的准确计算,基于自适应网格加密技术和VOF方法,建立了一种数值方法,可以捕捉到包含一次雾化和二次雾化的喷雾场结构特征,获得了全场液滴的空间分布和粒径分布,液滴捕捉效果逼真。针对给定结构尺寸的敞口型离心式喷嘴,计算了在不同流量和不同切向孔直径下的液膜锥角、液滴平均粒径SMD的变化,并与高速摄影拍摄的锥形液膜破碎过程图像和PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)测量的液滴SMD对比。结果表明,数值模拟与实验所获得的喷雾场吻合,获得的液膜锥角和液滴平均粒径最大相对误差分别为4.18%和11.82%,结果吻合较好,验证了数值方法的准确性,为离心式喷嘴的精细研究和设计应用提供一种新手段。研究表明,切向孔直径对液膜锥角和液滴平均粒径的影响较显著,在设计加工时,是一个比较重要的结构参数。     

超声波/离心组合喷嘴性能研究

采用试验研究方法初步探索了一种超声波/离心组合喷嘴应用于航空发动机燃烧室的可行性.对该组合喷嘴开展冷态试验,得到了其流量特性和雾化特性(包括油雾索太尔平均直径(SMD)和雾化锥角),设计加工了横截面尺寸为117mm×60mm的单头部矩形燃烧室模型,并在不同进口条件下开展了相关的燃烧性能试验.结果表明:在冷态情况下,喷嘴流量特性符合传统离心喷嘴的流量特性,流量与供油压差呈二次函数关系;喷嘴雾化细度较好,无气状态下,油雾SMD在38~45μm之间变化,在满足产生超声波要求的气压条件范围内油雾SMD在8~12μm之间变化;喷雾锥角主要受供气条件影响,供油压力对喷雾锥角基本无影响;装有该喷嘴的模型燃烧室在所有试验工况下均可以稳定燃烧,燃烧效率最高达到99%.      

离心喷嘴雾化特性的理论计算

本文根据动量守恒原理,分析了离心喷嘴的结构参数与喷嘴雾化特性(流量系数、喷雾锥角等)之间的关系,建立了相应的无粘理论计算模型.理论计算的结果与有关的实验数据相比较,符合程度较好.本文建立的理论计算模型对离心喷嘴雾化特性的研究,具有一定的参考价值.     

离心喷嘴脉冲工作动态特性实验研究

双组元推力器在短脉冲工况下比冲出现明显下降。为了从推进剂雾化角度研究其原因,搭建了离心喷嘴脉冲工作冷流实验平台,使用机械式脉动流量发生器使喷嘴工作在脉冲模式。实验中测量了离心喷嘴的动态压降和索太尔平均直径SMD随时间的振荡,并使用高速相机拍摄了喷雾场和喷嘴内部流动的瞬时照片。通过提取图像边界的方法测量了液膜锥角的变化,并计算了一个周期内不同大小SMD时间占比分布。瞬时照片和SMD的测量结果表明,脉冲工作的离心喷嘴在脉冲工作时会出现柱状射流或由调速管效应形成的厚液环,导致喷雾场出现较大液滴。喷雾锥角测量结果表明,脉冲结束后液膜并不随着压降下降而直接收缩,而是继续保持较大锥角一定时间。对SMD的分析表明,脉冲宽度越小,一个脉冲内非稳态喷雾时间占比越大,导致整个脉冲的雾化质量越差。根据本文研究结果,为了提高离心喷嘴窄脉宽工作时的雾化性能,需要尽可能消除柱状射流和调速管效应的影响。     

敞口式离心喷嘴内部流动特性的试验及模拟

为了研究敞口式离心喷嘴内部流动特性,包括填充过程及结构参数和工作参数对流量系数及液膜厚度的影响,对7个不同切向孔直径及长径比的喷嘴展开了试验和数值模拟。采用高速背光对透明敞口式离心喷嘴进行光学测量,喷注压降从0.1~0.8MPa,结合数值模拟研究了旋流室内液膜的填充过程,捕获了空心涡形成及发展过程,得到了敞口式离心喷嘴液膜厚度和流量系数随结构参数及工作参数的变化规律。研究发现几何特性参数越高,液膜厚度、流量系数和质量流量越低;低压降时流量系数随喷注压降升高而略微增加,当喷注压降达到临界值0.4MPa后,流量系数和液膜厚度几乎不变,最大波动分别为1.1%和6%。综合考虑工作参数及结构参数,拟合流量系数及质量流量经验公式,最大偏差皆不超过10%。     

敞口式离心喷嘴液膜动态填充及打开过程研究

为了揭示敞口式离心喷嘴液膜填充及打开过程,采用两相界面追踪方法 VOF(volume of fluid)模拟了喷嘴内部及近喷口区域流动过程,计算得到的喷雾角和试验结果偏差不超过2%。计算结果表明:喷嘴内部填充过程中,自切向孔下游至喷嘴出口液膜厚度缓慢增加,在喷嘴出口处液膜厚度大幅度降低,呈非线性发展;相应地,切向孔截面空心涡经历了正方形-花瓣形-圆形的演化历程;喷口边缘处表面张力占主导,此时液膜较厚,因此液膜刚流出喷嘴时并没有立刻打开,而后变薄、失稳、脱落、破碎并部分聚合,随着时间推移,喷嘴出口液膜形态依次经历了铅笔形、洋葱形、郁金香形和完全发展形四种形态,与稳态下喷注压降改变时喷雾形态变化相一致。     

喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响

为了研究喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响，对长喷口离心喷嘴内部流动状况进行了理论分析。采用高速动态测量分析系统，以水为模拟介质，对离心喷嘴流量、液膜展开角、喷雾场轴向速度等参数在不同压降工况下，随喷口长度的变化进行了试验研究。结果表明：喷口长度的增加使离心喷嘴流量增大、液膜展开角减小、喷雾场轴向速度降低；推导了长喷口离心喷嘴流量系数和液膜展开角的经验公式，该公式可供实际工程应用参考。     

敞口式离心喷嘴内部及近喷口区域的流动特性

为了深入理解敞口式离心喷嘴雾化机制,基于界面追踪法VOF（volume of fluid）和RNG（renormalization group）湍流模型对敞口式离心喷嘴进行数值模拟,计算结果与PDPA（phase Doppler particle analyzer）及单反相机测得的喷嘴出口速度和雾化锥角一致性较高.清晰地捕获了中心空气涡结构及喷嘴内部的回流区,展现了切向孔与旋流室的交互影响,并着重分析了液膜厚度演变特性及喷嘴内外速度场发展规律.随着喷注压降的增加,破碎长度降低,打开长度及喷雾角增加.揭示了敞口式离心喷嘴独特的流动机制,为喷嘴雾化性能预测及结构优化提供依据.      

注气离心喷嘴喷注过程稳定性试验

为了解管路注气对补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴喷注过程稳定性的影响，在大气环境下开展了敞口型离心喷嘴注气时喷注过程稳定性试验。使用注气装置在离心喷嘴的上游供应管路中注入空气，通过高速相机记录管路内的两相流特征和喷嘴喷注过程的振荡特征，采用图像区域亮度分析方法定量评估喷注过程的振荡强度。研究发现：注气能显著改变敞口型离心喷嘴的喷注雾化过程及稳定性特征；注气后雾化液膜破碎距离缩短且喷雾角减小，喷注过程出现明显的振荡并伴随Klystron效应；管路内两相流的气泡尺度较大且切向孔较小时，喷注过程的振荡幅值较大；随着注气量增加，喷注过程的振荡频率降低；气泡尺度及两相流型对离心喷嘴喷注振荡过程的影响与普通气泡雾化喷嘴的显著不同，柱状流型时离心喷嘴喷注过程出现1~3 Hz流量振荡且可能间歇性断流。气泡对切向孔的间歇性堵塞作用可能是喷注过程振荡及Klystron效应的原因。     

Spray characteristics of jet–swirl nozzles for thrust chamber injector

Thrust chamber injector is very critical component since that small differences in its design can result in dramatically different performance. This paper presents a preliminary investigation of a mono-propellant jet–swirl nozzle for thrust chamber using the existing commercial nozzle made of brass with little modification. The performance of two types of spray pattern, i.e. hollow cone and solid cone were investigated under cold flow test. Two solid cone injectors were studied at various purely axial orifice diameter with all other parameters remaining constant. This investigation reveals that decrease in the breakup length increased the spray angle. Higher injection pressure leads to shorter breakup length and higher value of discharge coefficient, except for hollow cone nozzle which shows mild fluctuating trend. Experimental data also tells that solid cone nozzle with diameter ratio 0.14 has the highest average discharge coefficient (0.60), followed by hollow cone nozzle (0.25). Solid cone nozzle with diameter ratio of 0.1 has an average discharge coefficient of 0.21.     

喷雾场特性的实验研究

采用全息方法对流动环境中实际喷嘴的喷雾场进行了大量的实验研究，获得了在不同工况下喷雾场液滴尺寸分布，液滴运动速度及运动角度和空间分布等许多实验结果，这些结果给出了喷雾特性随喷雾压力，气流速度和喷嘴尺寸等因素的变化特点，揭示了喷雾场中液滴速度及角度的分布规律，为喷雾运动的计算提供了有用的数据。     

不同喷口扩张角下离心喷嘴雾化锥角特性研究

为研究扩口式离心喷嘴的雾化锥角特性,对5个不同扩张角度的喷嘴展开了试验与数值计算研究。试验以RP-3航空煤油为工质,采用高速摄影对油雾场进行拍摄,Matlab二值化处理得到雾化锥角;数值计算采用VOF(volume of fluid)方法结合RSM(reynolds stress model)湍流模型。研究表明：随着扩张角的增大,锥角不是单一的变化规律,而是呈先增大后减小的趋势,且不同油压差下锥角峰值及其对应的扩张角有所差异。揭示了随扩张角增大,扩张段内液膜呈现附壁/未附壁两种流动模态。结合试验与理论计算结果分析,发现供油压差增大后,60°扩张角会限制锥角的大小,使锥角峰值出现在90°扩张角处。然后比较100°、120°扩张角的气液两相图,发现扩张段内的射流使附近空气与其同方向运动产生回流区,而回流区与空气核相互作用反过来又影响着射流的偏转幅度,决定液膜未附壁时的锥角值。最后比较发现平口喷嘴的雾化特性决定了两种模态的出现与否,解释了已有研究中规律不一致的原因。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性影响

为了研究双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性的影响,通过数值计算和试验分别研究了4种文氏管长度的双级轴向涡流器方案的下游流场和匹配喷嘴的雾化特性。结果表明:随着文氏管无量纲长度由0.23增加至0.49,一级涡流器流量系数由0.98降至0.7,二级涡流器的流量系数保持0.75不变,涡流器出口旋流数由0.08增至0.48,旋流扩张角由闭合状态增至约90°,涡流器下游流场由反转回流区变为传统回流区。文氏管长度最短的方案的索太尔平均直径(SMD)和喷雾锥角受涡流器压降的影响较小,而其他方案的SMD和喷雾锥角受涡流器压降影响较大,且在相同涡流器压降和油压下,SMD和喷雾锥角随着文氏管长度增加而增大。      

直射式气动雾化喷嘴对燃烧室性能的影响

为了深入分析燃油喷嘴对燃气轮机燃烧室性能的影响，针对燃气轮机燃烧室中的直射式气动雾化喷嘴开展了数值模 拟，获得了气流流量、燃油流量和气液比对雾化性能的影响规律，喷嘴的雾化性能参数包括雾化粒径和雾化锥角。结果表明：气液 比和气流流量对该型喷嘴的雾化性能有显著影响，燃油流量对雾化性能的影响较小；气液两相间相对速度是影响该型喷嘴雾化性 能的决定因素，相对速度增大有利于减小雾化粒径，并增大雾化锥角；气流流量和气液比的增大均有利于雾化粒径的减小，燃油流 量的增加将使雾化粒径增大；增大气流流量、气液比和减小燃油流量均可使雾化锥角增大；该型喷嘴的雾化锥角变化范围为 30.12°～41.24°，雾化粒径变化范围为131.46～ 186.52 μm。喷嘴可实现在较小的雾化锥角变化范围内获得较宽的雾化粒径变化， 以此匹配燃气轮机燃烧室不同工作状态，具有较高的实用价值。     

燃烧室压力对空气雾化喷嘴雾化性能的影响

对某发动机上的空气雾化喷嘴进行了实验研究, 以探讨燃烧室压力对空气雾化喷嘴性能的影响。实践证实本文研究结果对高压下空气雾化喷嘴的设计做了有益的探索。      

单腔离心喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角的半理论预测

利用流体控制体法结合质点系动量矩守恒定理，分析了液体的黏性作用对离心喷嘴空心涡尺寸的影响机制，建立了相关理论模型，并给出了喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角的半理论预测公式.同时，用多组不同工况条件下的实验测量数据对该预测公式进行了验证.结果表明:提出的预测公式计算离心喷嘴出口空心涡直径和平均液雾锥角是有效的，且具有较高的计算精度；空心涡直径的预测不确定度约为±13%，平均液雾锥角的预测不确定度在－20%~6%之间.      

喷嘴特性对燃烧室内烟粒浓度和火焰辐射的影响

在一个小模型燃气轮机燃烧室上,试验研究了在燃烧室工作压力为０．５ＭＰａ情况下,简单离心式喷嘴与空气雾化喷嘴、空气雾化喷嘴的不同喷雾锥角等对燃烧室燃烧状况、烟粒浓度和火焰辐射的影响。实验表明：在正常燃烧情况下,简单离心式喷嘴产生较高的烟粒浓度和火焰辐射,并且随着头部油气比增加变得更加明显;而喷雾锥角与头部的良好匹配,则是保证燃烧室正常工作,并使烟粒浓度、火焰辐射降低的重要因素。