旋转锥形液膜喷雾形态与表面波动实验研究

为了全面加深对旋转锥形液膜一次破碎机理的认识,采用高速阴影法对离心喷嘴的喷雾场进行了试验拍摄,并基于喷雾场形态特征详细描述了7种喷雾形态随压降的变化过程,分析了液膜表面波动与液膜穿孔的关系以及导致液膜破碎的机理,重点关注了波动、穿孔和湍流这三种锥形喷雾形态,并对其表面波动特征随压降的变化规律进行了研究。研究表明：液膜的表面波动和液膜穿孔均是由初始速度波动引起的液体聚集从而形成波峰和波谷导致的,在三种锥形喷雾形态中这两种特征一直存在;随着压降增大,在波动锥形喷雾形态中液膜表面波动的波长、振幅和频率均逐渐变大,在穿孔锥形和湍流锥形喷雾形态中液膜表面波动的波长和振幅逐渐减小,频率逐渐增大,且在湍流锥形喷雾形态中,频率组成随压降增大越加混乱。     

内直外旋气液同轴式喷嘴流量及雾化特性

针对气体中心直流、液体涡流器离心式内缩进气液同轴喷嘴,采用高速摄影和PDPA测量了其流量和雾化特性。发现在常温常压下,喷嘴流量近似与喷注压降的0.477次方成正比。喷嘴喷雾场为空心锥形,雾化角约为110°,随液体压降增加,雾化锥角增大。液体压降不变,雾化锥角受中心气体卷吸作用随气体压降增加而减小。液膜破碎距离与雾化锥角有关,雾化锥角越大,液膜破碎距离越短,反之亦然。随径向距离增加,雾化液滴轴向速度、径向速度减小,SMD先增大然后略有减小,沿径向呈"马鞍"状双峰分布;随轴向距离增加,粒子轴向速度减小,SMD减小。     

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。     

喷注压降对液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响研究

为了研究不同喷注压降下液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的变化规律,采用高速摄像机观测喷雾形态。试验结果表明:内、外喷嘴单独工作时,喷雾锥角随着喷注压降的增加而增加。内、外喷嘴同时工作时,喷雾锥角随内喷嘴喷注压降的增加而减小,随着外喷嘴喷注压降的增加而增加。通过与内、外液膜同向旋转时喷雾锥角的变化规律对比,发现内、外液膜的旋转方向对外混式液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响不大,因为离心式喷嘴产生的锥形液膜的切向速度会很快转化为径向速度。由于液膜切向速度迅速转化为径向速度使得内、外液膜反向的动量转变为同向动量,从而造成利用角动量守恒来预测喷雾锥角的理论模型用于计算反向旋转的外混式喷嘴时存在较大误差。对于内、外液膜反向旋转的外混式喷嘴,由于液膜旋转方向对喷雾锥角的影响不大,可以按照同向旋转的公式进行计算。     

液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性仿真研究（液体火箭推进）

为了实现对不同工况下液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性的数值模拟研究,采用网格自适应加密技术、耦合的Level-set和Volume of Fluid（CLSVOF）方法对气液界面进行捕捉,利用改进延迟分离涡模拟（IDDES）方法模拟湍流。分析了液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度以及流场特性。通过观察分析得到：随着气液相互作用的增强,液膜破碎模式依次经历主导表面波发展导致的液膜破碎、Rayleigh-Taylor（R-T）和Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性引起的液膜破碎,以及气动破碎模式。随着气液动量通量比（Momentum Flux Ratio,MFR）的增大,喷雾锥角和破碎长度逐渐减小且呈渐进趋势,发现无量纲喷雾锥角和破碎长度均与MFR_^-A成正比例关系。相同液膜破碎模式而不同工况时,主要流场特征一致。     

针栓式喷注器无旋锥形液膜线性不稳定分析

将离心式喷嘴锥形液膜破碎模型应用于针栓式喷注器,对无旋锥形液膜进行了线性不稳定分析。求解色散方程获得了色散关系曲线,分析了无旋锥形液膜表面波发展过程。研究了喷注压降、喷注通道长宽比、液膜半锥角以及正弦模式扰动波加权因子等参数对无旋锥形液膜无量纲破碎时间和破碎长度的影响。结果表明:正弦模式扰动波比曲张模式扰动波增长更快,并且更不稳定。正弦模式扰动波在无旋锥形液膜破碎过程中占优,并且喷注压降越大,液膜破碎的越快。喷注通道长宽比的增加会使得无量纲破碎时间和破碎长度近似线性增大。针栓式喷注器设计时,为利于液膜破碎,喷注通道长宽比应取小值,而液膜半锥角应取大值。     

离心式喷嘴液膜破碎过程实验

为了研究离心式喷嘴出口液膜破碎以及雾化锥角变化规律,对直径2.5~6 mm之间6个不同直径、不同几何特性参数的离心式喷嘴运用高速阴影设备进行实验,喷注压降从0.1~3 MPa,每次实验间隔0.2 MPa。通过实验,得到液膜破碎长度、液膜锥角随喷注压降、喷孔直径以及几何特性参数的变化规律。随着喷注压降的增加,液膜破碎长度减小,液膜锥角增大,该种类型喷嘴破碎长度在40 mm左右,液膜锥角不大于60°;随着几何特性参数A值增加,同一喷注压降下的液膜破碎长度增大,液膜锥角增加;将液膜锥角实验结果与Abromvich,Lefebvre等理论公式进行了比较,在常用的喷嘴特性参数范围内,液膜锥角的变化趋势与理论公式相吻合,但实验值远小于公式计算值。     

液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性仿真研究

为了实现对不同工况下液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性的数值模拟研究,采用网格自适应加密技术、耦合的Level-set和Volume of Fluid（CLSVOF）方法对气液界面进行捕捉,利用改进延迟分离涡模拟（IDDES）方法模拟湍流。分析了液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度以及流场特性。通过观察分析得到：随着气液相互作用的增强,液膜破碎模式依次经历主导表面波发展导致的液膜破碎、Rayleigh-Taylor（R-T）和Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性引起的液膜破碎,以及气动破碎模式。随着气液动量通量比（Momentum Flux Ratio,MFR）的增大,喷雾锥角和破碎长度逐渐减小且呈渐进趋势,发现无量纲喷雾锥角和破碎长度均与MFR^-A成正比例关系。相同液膜破碎模式而不同工况时,主要流场特征一致。     

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。     

基于移动粒子半隐式方法的旋流液膜破碎过程模拟

为实现旋流初始雾化中液膜破碎过程的直接数值模拟,基于GPU (Graphics processing unit)加速和移动粒子半隐式方法 (Moving particle semi-implicit method, MPS),开发了离心式喷嘴液膜破碎过程的并行加速数值模拟方法与程序,模拟了喷雾场三维形态特征和初始雾化破碎过程。模拟结果成功捕捉到了液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程。模拟得到的雾化破碎过程与实验拍摄结果基本吻合。模拟了不同射流速度下的旋流液膜破碎过程,模拟得到的液膜初始破碎长度与经验公式计算结果趋势一致,二者吻合较好,最大误差为24.2%,模拟得到的液膜半锥角与实验值较为吻合,误差为10.6%。表明开发的模拟方法与程序的准确性,为后续离心式喷嘴的液膜雾化过程及雾化特性研究打下基础。     

不同液压条件下锥形液膜破碎的实验研究

应用PIV激光粒子图像测速仪对由离心式压力雾化喷嘴喷出的锥形液膜的破碎进行了实验研究。澜得了不同压力下的扰动波波长、波速和振幅。研究结果表明，液膜半锥角随着液压的增加而增加，半波长的液膜段剥落后几乎立即破碎成液滴，看不到明显的液膜段收缩成液丝的过程。由实验拍摄的图像看，长、短扰动波同时存在，共同影响液膜的破碎。这些数据可用于发展锥形液膜初始雾化模型。     

幂律流体撞击射流破碎机理的实验

通过自行研制的撞击射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同卡波姆质量分数剪切变稀的卡波姆凝胶非牛顿幂律流体在不同射流条件下撞击液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度进行实验与分析.结果表明:不同流变特性的幂律流体出现的破碎模式不同,黏度越高,破碎模式越复杂;4种卡波姆凝胶在韦伯数为8000左右时,达到完全发展模式,并在韦伯数为8000左右时表现出相似的破碎特性;随着韦伯数的增大,喷雾锥角逐渐增大并趋于稳定,稳定值小于撞击角度,当卡波姆质量分数增大时,最大喷雾锥角逐渐减小,最终收敛于60°;随着韦伯数的增大,4种卡波姆凝胶的破碎长度先小幅变大然后减小,理论结果与实验结果整体趋势相似.      

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。     

空气助力改善液滴雾化质量的研究

对一种新型的内混式空气雾化喷嘴进行了测量和研究,其目的是探索新型内混式喷嘴在添加空气助力下增强混合改善雾化质量的应用性能。试验采用4组不同几何结构参数的内混式空气雾化扇形喷嘴,通过马尔文激光粒度分析仪测量不同气压、不同水流量等工况参数下雾化液滴索特平均直径（SMD）D32和喷雾锥角等雾化性能参数,并对试验结果作对比分析。结果表明,水流量为定值时,SMD随着气压的增加明显减小,在0．8MPa到达极小值后趋于稳定,喷雾锥角随气压的增大先变大后减小;气压为定值时,SMD随着水流量的减小逐渐减小,喷雾锥角随着水流量的增加逐渐增大;比较不同几何结构参数,#1-2内混式空气雾化扇形喷嘴在4组喷嘴中具有最好的雾化效果,当气压为0．8MPa,水流量为20L／h时,SMD极小值为16μm。     

针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.      

锥形液膜Kevin-Helmholtz波不稳定性的实验研究

采用PIV激光粒子测速仪获得了不同喷嘴液压差下锥形液膜子午截面的波动破碎图像.测得不同液压差下离心喷嘴锥形液膜的各项特性参数, 如液膜半锥角、液膜破碎前长度等.研究了半锥角和液膜破碎前长度随液压差的变化规律.根据试验结果, 总结出了计算C参数的经验公式, 并利用此关系式求解色散方程, 得到不同液压差下的液膜破碎点扰动波波长.预测值和实验结果进行了对比, 对比发现:理论预测值的变化趋势同实验结果完全一致.      

液体粘性对离心式喷嘴喷雾浓度分布和喷雾锥角影响的理论与试验研究

本文从理论和试验上研究了液体粘性对离心式喷嘴喷雾浓度分布,喷雾锥角和雾化粒度的影响,建立了喷嘴后方液体浓度分布的物理数学模型.首次考虑了喷嘴出口空气涡的影响,给出了浓度分布、喷雾锥角和索太尔平均直径的计算方法.运用激光散射测雾技术,对喷嘴在静止空气中的雾化特性进行了研究,给出了喷雾锥角和索太尔平均直径的经验公式,并从试验上验证了所建立的数学模型.     

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。