气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

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%.      

预膜式杆射哨超声波喷嘴雾化特性研究

为了探索超声波喷嘴应用于脉冲爆震发动机的可行性,设计了一种预膜式杆射哨超声波喷嘴,并采用激光粒度仪和高速相机对其雾化特性进行了实验研究,得到了其流量特性、液滴索太尔平均直径SMD和雾化角度。实验结果表明:在满足喷嘴流量的要求下,平均雾化粒径SMD约为20μm,液滴尺寸分布指数N大于2;SMD随油压差的变大而略有增大,随气液比ALR的增加而减小;随着测点距喷嘴出口的距离变大,SMD增大;共振腔距离喷嘴出口15mm时雾化效果最好;喷雾角度随着油压差的增加而增大。     

燃油温度对离心式喷嘴雾化性能影响

以离心式压力雾化喷嘴为研究对象,对不同压力下燃油温度对航空煤油雾化特性的影响进行了实验测试和数值模拟研究,获得了燃油在喷嘴内的流动特性及温度、压力对燃油雾化特性参数的影响规律。实验研究了燃油温度变化范围在-20 ℃至50 ℃的雾化特性,数值模拟对燃油温度在-50 ℃至50 ℃范围内喷嘴内燃油的流动特性及燃油的雾化特性进行了数值模拟。结果表明:燃油压力对雾化特性影响不大;在所研究的温度范围内,温度增加会导致雾化角增大、索太尔平均直径（SMD）减小、周向分布不均匀性增大,在-20 ℃升至50 ℃时SMD由45 μm降低到30 μm;油膜厚度会随燃油温度的降低而增厚,有利于提高燃油周向分布均匀性,但会导致雾化液滴直径增大。     

煤油内燃机的喷嘴雾化性能试验研究

进行了离心喷嘴和气助喷嘴雾化性能的试验研究。试验中,测试了不同供油压力和不同气油比下的燃油索太尔平均直径(SMD)。结果表明,离心喷嘴雾化效果随压力增大而变好,其SMD可在45μm以下,但超过一定压力后SMD变化不大;气助喷嘴在高压高气油比下油气能较好地混合,粒径分布均匀。     

某型航空发动机燃油喷嘴试验及火焰筒头部的数值模拟

对某型航空发动机燃油喷嘴的工作特性和雾化质量进行了试验研究,测定了在不同压力下喷嘴的流量特性、喷雾锥角、雾化粒度(SMD)及尺寸分布;应用F luent软件,对装有该喷嘴的燃烧室火焰筒进行了数值模拟。     

RP-5和RP-3燃油对离心喷嘴雾化特性影响分析

为探究RP-5和RP-3燃油对双油路离心喷嘴雾化性能的影响，开展不同供油压力下两种燃油对双油路离心喷嘴的质量流量特性、雾化锥角、索太尔平均直径（SMD）及油滴速度等性能影响的研究，结果表明：在各供油压力下，RP-5燃油的喷嘴质量流量大于RP-3燃油，主油路质量流量相差约为5%，副油路质量流量相差约为2%;RP-5和RP-3燃油的喷嘴雾化锥角大小基本一致；当副油路供油质量流量小于8 kg/h时，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油，当副油路供油质量流量大于8 kg/h时，RP-5和RP-3燃油的SMD基本一致；主、副油路同时供油时，随着质量流量不断增加，RP-5燃油的SMD大于RP-3燃油且差值不断增大；随着供油压力升高，RP-5燃油的油滴速度要显著高于RP-3燃油，且都呈现出“M”形分布。     

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。      

脉冲爆震发动机喷嘴性能优化研究

脉冲爆震发动机两相爆震近来得到了广泛的重视和关注,但在它走向应用之前仍有很多问题需要解决,燃油的喷射、雾化和混合就是其中之一。本文针对一种改进的预膜式空气雾化喷嘴,利用CFD程序,通过改变侧路空气射入角、空气通道直径、混合室出口孔径等参数,研究了喷嘴结构参数对雾化特性的影响,得到了汽油的雾化粒度与喷嘴结构间的关系和变化规律。并将数值模拟结果与实验结果进行对比,两者吻合较好,为喷嘴的优化设计提供了依据。     

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。     

高扰动燃油喷嘴雾化试验

为改善航空发动机的燃油雾化、验证高扰动雾化方案应用于航空发动机燃油喷射的可行性,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)及高速摄影技术,对不同夹角、不同孔径结构条件下的V形交叉孔高扰动喷嘴和单孔喷嘴的喷雾场粒子特性进行了测量。结果表明:随着供油压差增大,雾化锥角随之增大,索太尔平均直径(SMD)值随之减小;交叉孔结构对燃油雾化有明显促进作用,在相同的供油压差、出口截面积条件下,交叉孔的雾化锥角更大,SMD更小;在SMD相同时,交叉孔所需的喷射压力远小于圆直孔;随着交叉角的增加,雾化锥角、SMD均有明显改善;采用空气辅助能够有效增大雾化锥角、降低SMD值,但改善效果随气压增加而逐渐减弱。与传统单孔喷孔方案相比,高扰动喷孔能够在相同压力条件下极大的改善燃油雾化效果。      

离心喷嘴偏心和凸凹对双旋流器空气雾化特性的影响

为深入了解离心喷嘴偏心和凸凹2种错位形式对反向双旋流空气雾化喷嘴雾化特性的影响,采用高清照相机和相位多普勒粒子分析仪(PDPA),对不同错位程度的双旋流空气雾化喷嘴的雾场形态、索太尔平均直径、罗辛-拉姆勒(Rosin-Ramumber)分布进行试验研究。试验结果表明,喷嘴偏心将导致雾场偏移并且不对称,破坏回流区,同时液雾索太尔平均直径变大,分布指数变小,喷嘴内凹对雾场形态和液雾索太尔平均直径影响很小,但使分布指数减小;喷嘴外凸对雾场形态影响很小,但使液雾索太尔平均直径和分布指数显著增大。     

RP-3航空煤油与其模型燃料雾化特性的对比试验

为了获得RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化特性,在燃油喷嘴雾化激光测试平台上对相对喷射压力分别为200、400、600、800 kPa时,RP-3航空煤油及由14%正癸烷/10%正十二烷/30%异十六烷/36%甲基环己烷/10%甲苯（摩尔分数）组成的模型燃料的雾化特性（雾化锥角、雾化粒度、油滴速度）进行了试验测试,并完成了两者的对比分析。结果表明:随着相对喷射压力的升高,RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化锥角与油滴速度逐渐增大,索太尔平均直径（SMD）逐渐减小;随着离喷嘴出口轴向距离的增加,RP-3航空煤油与其模型燃料的SMD值与油滴速度逐渐减小;在各相对喷射压力下,模型燃料的雾化锥角与油滴速度要略高于RP-3航空煤油,SMD值则要略低;但是,两者之间差异较小,说明该模型燃料的雾化特性与RP-3航空煤油有较高的相似性。      

加力用扇形喷嘴雾化特性试验

根据加力燃烧室内锥凹腔点火与联焰要求,设计了扇形喷嘴并开展相应的雾化试验,研究了供油压差、扇形角度及扇形出口高度等参数对流量特性和雾化特性的影响以及加力环境下横向气流的温度、速度和供油压差对索太尔平均直径(SMD)及穿透深度的影响。采用称质量法测量流量系数,利用马尔文粒度仪和高速摄影仪对下游SMD、雾化角度及穿透深度进行测量。结果表明:①供油压差增大,流量系数先减少,后稳定;②供油压差一定,扇形出口角度越大,流量系数和雾化角度也越大;③扇形出口高度增加,雾化效果变好;④出口位置对雾化特性影响不大;⑤供油压差越大,穿透深度越大,SMD减小;⑥横向气流速度越大、温度越高,穿透深度越浅,油雾场越靠近下游;⑦横向气流温度越高, SMD越小。     

高压空气流中单个直射式喷嘴顺喷雾化特性的试验研究

试验研究了在高压空气流中顺喷的单个直射式喷嘴雾化特性。试验结果表明索太尔平均直径随空气压力的增大单调地降低。采用收敛扩张喷管,使雾化区形成高压而又连续流动的流场,是高压下雾化试验研究的好方法。      

Y型喷嘴反压环境粒径的图像捕捉测量技术

鉴于Y型喷嘴反压条件下的粒径难以采用传统光学测量手段获得有效数据,提出一种基于图像捕捉的粒径处理程序,通过微距镜头拍摄雾场图像,通过图像识别和数据统计获取有效索太尔平均直径（SMD）。该处理方法在大气下与相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量结果误差不超过12%。实验结果表明:在反压条件下,当气流量为0g/s时,雾化粒径较大,随着环境压力升高和液流量增大,雾化粒径呈减小趋势;当加入气流量为55g/s时,雾化粒径显著降低,并且粒径随着环境压力升高而增大(该结果与不加气时恰恰相反),而在同一反压、不同液流量工况下,雾化粒径基本保持不变。在燃烧室变工况条件下,加入少量的气体即可使雾化粒径显著减小且在变工况条件下基本保持一致。      

旋流杯近场液雾SMD的空间分布模型

旋流杯液雾的空间分布特性对航空发动机燃烧室燃烧性能至关重要。基于旋流杯燃油雾化的物理过程及其近场液雾索太尔平均直径(SMD)空间分布呈“双峰”或“三峰”分布的基本特点,建立了旋流杯近场液雾SMD空间分布的半经验模型。该模型将旋流杯近场液雾分为中心区和边界区,其中中心区液雾采用离心喷嘴与内旋流的混合型雾化模型,边界区液雾采用文氏管液膜的气动雾化模型,同时将液雾SMD及SMD空间分布与正态分布函数相结合。根据空气压降不同,分别对压力雾化主导及气动雾化主导两种形式的旋流杯液雾SMD空间分布模型进行了验证,并对供液压力及空气压降的影响规律进行了预测分析,预测结果表明:随着供液压力和空气压降的增大,旋流杯液雾SMD呈现整体降低的趋势。     

矩形内喷管塞式喷管的数值计算与实验研究

为了了解内喷管为二维矩型的塞式喷管性能,设计了一个二单元的实验塞式喷管,并对模型进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用无波动、无自由函数耗散(NND)差分格式求解三维NS方程,利用空气冷流实验方法评价了喷管性能。研究模型的内喷管喉部面积为4×60mm2,内喷管面积比为4,总面积比为24.05,设计压力比为500。计算得到了正确的流场结构和塞锥表面压强分布,结果与实验数据吻合很好,效率数值最大相差1%。模型的性能也比较理想:最大的推力系数效率为0.995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,推力系数效率在0.97～0.995之间变化。不同压强比下全锥塞式喷管的塞锥表面压强分布规律,可以作为研究截短型塞式喷管塞锥压强分布的基础。