多喷嘴大流量气 -气喷注器设计与试验

在大流量气-气喷注器单喷嘴工况研究的基础上,为研究其在具有单元交互作用的多喷嘴工况下的燃烧特性,设计了多喷嘴推力室.喷注单元为剪切混合式单元,并具有高氢/氧速度比和氧喷嘴扩口设计,采用了能够模拟真实发动机工况的7单元同心圆排布的推力室头部结构,在对喷注单元的排布间距优化设计基础上,开展了热试车试验研究和仿真分析.结果表明所设计的喷注器在多喷嘴工况下燃烧稳定,能够在额定参数设计的燃烧室内,在SSME(space shuttle main engine)主喷注单元流量的3.7倍大流量工况下燃烧效率达到99%以上,并显示出良好的喷注器自身和带来的燃烧室身部热防护特性.      

同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.      

同轴双剪切气-气喷嘴试验研究

为研究应用于全流量补燃循环发动机的新型结构气-气喷注器,对以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴进行试验研究,分析喷嘴不同中心氢流量比例和流量变化对推进剂燃烧效率的影响。结果表明:中心氢流量与外圈氢流量的比例是同轴双剪切喷嘴重要的设计参数。当中心氢流量比例为0.3至0.4之间时,同轴双剪切喷嘴使推进剂高效燃烧;在喷嘴流量相当于航天飞机主发动机单喷嘴8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能使推进剂达到高的燃烧效率。     

富氢/富氧燃气同轴气-气喷嘴燃烧性能仿真与分析

为研究全流量补燃循环发动机富氢/富氧燃气气-气喷嘴性能,以758 K的富氢燃气为燃料、676 K的富氧燃气为氧化剂,对采用同轴直流喷嘴、氧喷嘴扩张同轴喷嘴、氢喷嘴收缩同轴喷嘴、氧喷嘴中心具有实心圆柱同轴喷嘴、双同轴直流喷嘴的燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟,并考察了流量对燃烧性能的影响.仿真结果表明双同轴直流喷嘴具有最好的燃烧性能.数值模拟结果对富氢/富氧燃气气-气喷注器设计有参考价值.      

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

氢/氧气-气燃烧与气-液燃烧特性对比研究

对氢/氧气-气和气-液同轴剪切式单喷注器进行了燃烧流动的仿真研究.采用带化学反应的湍流Navier-Stokes方程和颗粒轨道模型描述发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,气相化学反应速率都由Ar-rhenius公式计算.对典型气-气燃烧和气-液燃烧仿真结果进行了比较,结果表明气-气燃烧完成长度相对气-液燃烧更长;并进行了同轴喷注器关键参数对两种燃烧流场的影响的仿真和分析比较,得到喷注流量和动量比均为影响两类型喷注器燃烧流场的关键因素,且这两因素对燃烧完成长度的影响趋势是完全相同的,而喷注速度对两类型喷注器燃烧流场影响程度都较小.      

气氧旋流强度对气-气喷嘴燃烧特性的影响

为进一步深入研究气-气喷注器结构参数对气-气掺混燃烧特性的影响,采用常温气氢和气氧推进剂,对同轴直流和同轴旋流气-气单喷嘴进行了冷流和热试试验,获得了每种喷注器的流量系数、燃烧室压力和燃烧室壁温,并结合数值仿真研究了中心气氧旋流强度对推进剂掺混燃烧的影响.结果表明:同轴旋流式喷嘴拥有较小的流量系数;中心气氧旋流有利于提高推进剂的燃烧效率,但带来了较大的燃烧室和喷注面板热载.     

富氢/富氧燃气气-气喷嘴热试

针对全流量补燃循环发动机气-气燃烧关键技术,设计了以气动谐振点火器为点火装置的气氢/气氧富氧预燃室、气氢/气氧富氢预燃室和气-气喷嘴燃烧室,开展了同轴剪切喷嘴气-气燃烧试验研究。试验结果表明,试验方案设计合理,系统稳定可靠,气-气喷嘴燃烧效率最高达到97.2%。随氧喷注器压降增加,燃烧室壁面的热载荷增加,燃烧效率降低。     

全流量补燃循环气气燃烧相似性缩尺试验研究

为指导全流量补燃循环发动机推力室全尺寸气气喷注器设计,采用气氢/气氧推进剂,在带可视化窗口的燃烧室中开展了气气燃烧流场相似性缩尺试验研究。采用高速摄影仪获得了不同流量工况下,同轴剪切喷嘴稳定燃烧和不稳定燃烧两种状态下近喷嘴区域的燃烧火焰结构,并分析了不稳定燃烧的频率特性。结果表明:在保持推进剂种类、推进剂混合比、推进剂温度、燃烧室及喷嘴结构尺寸不变的情况下,随着喷嘴流量的逐步增大,稳定燃烧和不稳定燃烧的喷嘴出口火焰结构均有一定的相似性,且不稳定燃烧的频率相同。     

富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴性能仿真分析

为研究富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴设计参数对燃烧性能和燃烧室热载的影响,采用正交试验设计方法对这些参数进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室流场,并以燃烧长度、燃烧室壁面和喷注面板处平均燃气温度为指标评价燃烧性能和热载.结果表明:燃氧速度比对燃烧性能和燃烧室热载影响最显著,中心氢流量比例对燃烧室热载影响非常显著,氧压降比对喷注面板处燃气平均温度的影响也很显著,而喷嘴出口壁厚对喷嘴性能影响不明显.燃氧速度比和氧压降比的交互作用对喷嘴性能有一定影响,而其他设计参数之间的交互作用对喷嘴性能影响非常小.最短燃烧室长度为117.9mm,最低壁面燃气温度及面板燃气温度分别为1637.7K和806.6K.      

氢/氧气-气喷注器冷流掺混与燃烧比较的仿真研究

分别采用无化学反应的和带化学反应的湍流N-S方程描述发动机内流动过程,对气-气同轴剪切式单喷注器进行了冷流掺混和燃烧的仿真.其中化学反应速率由Arrhenius公式计算,采用9步详细反应动力学模型来描述氢氧反应.对典型冷流和燃烧仿真结果进行了比较,结果表明燃烧掺混速率明显小于冷流掺混速率;并对同轴喷注器关键参数对冷流和燃烧掺混的影响进行了仿真和分析比较,得到速度比、缩进量和喷注流量的影响是一致的,而喷注速度的影响是相反的.      

气气多喷嘴推力室仿真与试验研究

设计了多喷嘴氢/氧剪切式喷注器推力室,采用了13,7,5个单元排布的三种头部喷注器结构,各喷注器的喷注单元具有相同的设计参数,但尺寸不同。在燃烧流场仿真分析的基础上,设计了喷注面无冷却措施、未设计燃烧稳定装置的多喷嘴推力室,一共开展了8次热试车试验研究,并进行了壁面温度测量。结果表明各工况燃烧稳定,该喷注器构型在不同的单元排布下都具有良好的头部和身部热环境,喷注面可以不采用热防护措施,但单元排布越稀疏头部热环境越差;气气多喷嘴工况下,燃烧效率的高低既与单元流量大小相关,又受排布形式的影响。     

基于PLIF技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验

以数值仿真的结果作为参考,开展了基于PLIF(平面激光诱导荧光)技术、高速摄影技术等非接触光学燃烧诊断技术的气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴试验研究。通过联合光学诊断对不同设计工况的燃烧流场进行诊断测量,获得燃烧室内OH分布,燃烧流场发展演化过程、火焰的结构等信息,对燃烧流场进行详细的分析。研究结果表明:气氧/气甲烷剪切燃烧火焰存在明显的剪切燃烧层,且随着轴向距离的增加,火焰逐渐失稳;随燃氧速度比的增加,流场涡旋作用明显加强,火焰根部稳定段变短,瞬时火焰结构卷曲和褶皱增多;仿真计算的OH分布与试验测得的OH分布相似,仿真模型能够合理预测气氧/气甲烷同轴剪切喷嘴的燃烧流场。      

气氢/气氧喷注器流量特性实验

针对热试实验所用的两种典型结构气氢/气氧喷注器,开展了不同反压下的流量特性实验.重点考察了燃料喷嘴对氧化剂喷嘴流量特性的影响和压降变化对喷嘴流量特性的影响.研究结果表明:反压从0.2～4 MPa的范围内变化时,双路同时工作时氧化剂喷嘴的流量系数要大于其自身单路工作时的流量系数;氧化剂喷嘴和燃料喷嘴的流量系数均随压降的增大而增大,并且增长趋势逐渐平缓.所得结论对气-气喷注器的设计和改进具有重要意义.      

气-气冷流掺混流场缩尺技术

 为研究气-气冷流掺混流场缩尺技术,对多组分气相掺混流动三维Navier-Stokes无量纲方程及其定解条件进行了相似性分析,并将量纲分析方法应用到气-气掺混流动现象中,获得了气-气掺混流场相似准则,该相似准则表明冷流掺混试验件尺寸和试验背压都可以变化;运用该准则,在不同背压工况下进行了3个不同尺寸试验件的单喷嘴气-气喷注器掺混流场的仿真分析和比较,结果表明不同试验件尺寸和不同压力工况下气-气掺混流场具有相似性。研究结果能够指导气-气冷流试验,并为气-气燃烧流场缩尺技术研究提供参考。     

气-气喷注器流量特性实验研究

对气-气喷注器的两种类型七种结构的喷嘴进行了带反压的流量特性试验, 选择其中一种结构的喷嘴展开在单路工作的流量特性试验, 重点考察进口压力和反压变化对喷嘴流量特性的影响和氧化剂喷嘴和燃料喷嘴的相互作用;通过试验测量和对实验数据的拟合, 得到喷嘴流量系数的经验公式.所得的结论对全流量补燃循环发动机气-气喷注器的优化设计有一定的指导意义.      

单喷嘴气-气喷注器推力室燃烧流场相似性

 设计了单喷嘴容热式气-气喷注器推力室,喷注器采用同轴剪切式,氢气/氧气作为推进剂。在同一燃烧室采用了0.92~6.10 MPa范围内7个室压工况,并在同一室压下采用不同燃烧室尺寸工况进行了试验研究,在变化室压和推力室尺寸时,推进剂种类、温度、混合比和喷注速度保持不变,燃烧室尺寸变化时保持几何相似,采用燃烧室壁面测温方法对比了不同工况下内流场的相似性。研究结果表明：不同室压和不同推力室尺寸工况下的推力室内流场具有相似性。