扩张型面内超声速气流中液体横向射流穿透深度试验研究

面向未来冲压旋转爆震发动机应用,本文设计了带隔离段及等直燃烧室的矩形带扩张型面,开展常温常压吸气式超声速风洞中的液体横向射流试验,借助高速摄影、阴影方法研究来流参数、喷孔参数对喷注雾化穿透深度及液雾扩展效果的影响。研究表明：隔离段到燃烧室的过渡构型在气相流场中产生了较强的膨胀波和压缩波,直接扰动射流的二次雾化,液体射流破碎、雾化和液雾掺混的过程受到影响。总温总压一定时,来流马赫数增大、喷注压降增大均可提高液气动量通量比,从而增大射流穿透深度。同样的穿透深度情况下,利用小喷孔高压降喷注方式可以较为明显地减小激波角度。与增大孔径相比,同样的流量条件下增大射流压降可有效增加穿透深度提升程度,获得更好的液雾掺混效果。     

火焰射流在横向气流中喷射特性的试验

研究了火焰射流垂直喷射到横向气流中的喷射特性.试验在常温常压下进行,研究了横向主流和射流流动参数对火焰射流穿透深度和温度特性的影响规律,得到了火焰射流温度分布随主流速度的变化规律及射流透入深度与动量比之间的经验关系式.研究结果表明,沿着射流轨迹方向射流温度逐渐降低,射流边界变宽.火焰射流的穿透深度随动量比的增大而增大.在相同的动量比下,火焰射流的穿透深度比常温射流的穿透深度大.      

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。     

喷油杆和凹腔支板稳定器近距匹配的液雾分布可视化

液雾分布与稳定器的燃油布置方式、油气分配、火焰稳定及火焰传播密切相关。以RP-3为雾化介质,在来流马赫数为0.2及来流温度为10~400℃的条件下,采用高速摄影法和激光片光/照相法,对喷油杆与凹腔支板稳定器间隔31.5 mm且顺喷时的液雾分布特点进行了可视化研究,并探讨了来流温度及油气动量比对其液雾分布轨迹的影响。结果表明:顺喷喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配方式有利于燃油在支板前缘形成挡溅雾化;挡溅雾化后的一部分燃油在支板表面形成油膜,并在凹腔前缘与尾缘进行二次雾化,来流温度较高时高温支板表面也有利于燃油的蒸发雾化;另一部分燃油则以类似横向射流的形式进行雾化。当来流温度一定时,油气动量比增大,液雾轴向分布距离和横向穿透深度均增大;来流温度升高,液雾穿透深度增加,油气动量比对液雾分布的影响更明显。      

同轴式气-气喷注器混合场影响因素流动显示研究

为了深入理解同轴气-气喷注器气流混合机理,利用粒子图像测速仪(PIV)系统对同轴直流式和同轴离心式气-气喷注器开展了流动显示实验,研究了喷注器关键设计参数对气流混合扩散过程的影响规律.实验结果表明:对于同轴直流式喷注器,氧/氢动量比决定着气流接触面上卷吸作用的大小,动量比越大,卷吸作用越强,混合效果越好;对于同轴离心式喷注器,气流的旋度控制着气流的混合过程,旋度越大,混合效果越好.可以通过减小外环喷注压降或者给中心喷孔一定的缩进距离来增大旋度,增强旋流作用,加强气流的混合.     

侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布试验

在常温常压、来流马赫数为0.182及液气动量比为10～70的条件下,以水为雾化介质,采用激光片光照相法开展了侧喷式一体化支板火焰稳定器的液雾分布特点研究,并探讨了液气动量比及喷射位置对液雾分布轨迹的影响规律。研究表明:侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布的外轨迹与横向射流类似,内轨迹受稳定器回流区卷吸作用的影响而弯向回流区,且在低液气动量比条件下影响显著。液气动量比是影响一体化支板火焰稳定器喷雾内外轨迹的重要因素,液气动量比增加,液雾穿透深度增加。喷射位置对液雾外轨迹的影响较小,但对内轨迹影响显著;过近或过远的喷射距离均不利于回流区对液雾的卷吸,这与液雾喷射和稳定器的近距耦合有关。     

超声速气流中凹腔主动喷注的强迫点火过程实验研究

为了研究在总温846K,总压0.7MPa,入口来流马赫数2.1的超声速来流条件下凹腔主动喷注对点火过程的影响,利用高速摄影相机进行观测,对比了凹腔前壁喷注、后壁面喷注等组合喷注方式下开展的发动机乙烯点火试验。基于对高速摄影图像处理的统计分析,研究发现在点火工况条件下,凹腔后壁面喷注相比于前壁喷注更容易使整个凹腔内形成稳定的火焰,当凹腔主动喷注当量比达到0.03时就能使凹腔内形成稳定的火焰;在凹腔后壁面喷注的条件下,当凹腔主动喷注当量比达到0.06,全局当量比达到0.17时,火焰就会穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧;凹腔前壁喷注和后壁面喷注相结合的喷注方式能进一步促进初始火核的形成与传播,当凹腔主动喷注当量比达到0.05,全局当量比达到0.16时,火焰就能穿过剪切层引燃凹腔下游横向射流,在整个发动机中稳定燃烧。     

气液交叉射流动力学行为的基础研究

为了模拟燃油在高速喷嘴内的快速蒸发混合过程,基于Eulerian—Eulerian方法,用RNGk一8湍流模型建立了高速喷嘴内两相流流动的数学模型,数值模拟了高速喷嘴内气液两相交叉射流的流动规律。改变气液动量比和韦伯数等条件下的两相流场计算结果表明：动量比增大3倍时横向穿透深度略有增大;而较大的韦伯数能起到强化横向射流的破碎效果。计算结果与同条件下的试验结果相符合。结果为研究HiTAC快速速喷嘴内可燃混合气的快速形成奠定了基础。     

凹腔结构对超声速燃烧室中横向燃料喷流流动与燃烧的影响

在超声速燃烧室的壁面上安装具有不同长深比、深度以及后壁倾角的凹腔,在凹腔上游壁面横向喷注燃料射流。分别利用掺有丙酮蒸气的氦气和氢气模拟不燃烧和燃烧两种情况下的横向燃料喷流,利用平面激光诱导荧光技术分别对流场中不同截面上的丙酮和氢氧基进行成像,同时对不燃烧情况下的喷流流场进行了数值仿真。研究发现:凹腔结构主要通过影响由凹腔后壁高压区向凹腔前壁传播高压扰动的行为来影响凹腔内部的静压分布,从而影响燃料的流动过程;凹腔长深比减小、深度或后壁倾角增大都有助于高压扰动的前传,导致燃料不易向凹腔内部偏转以及进入凹腔的燃料质量减少;凹腔长深比和深度的增加可增大凹腔内低速回流区的范围,有助于增强凹腔内部的燃烧以及火焰稳定能力;凹腔后壁倾角对燃料燃烧的影响不显著。     

超声速来流中燃料喷注与凹腔相互作用流场分析

利用基于纳米粒子的PIV (Particle image velocimetry)速度测量系统研究超声速流场中不同喷注Ma的横向喷注与开式凹腔内气体相互作用的流场,主要研究了相同喷注总压下横向喷注穿透的影响因素,分析了喷注动压比影响凹腔内气体和喷注相互作用的表现形式。通过研究发现,喷注动压比为6～8工况下由于凹腔内气体出现大范围回流使得凹腔前缘局部空间出现回流区,影响凹腔上部局部空间剪切层的形成,有效降低喷注与凹腔内气体之间流体的速度,增强了喷注CVP (Counter-rotating vortex pair)对凹腔内气体的卷吸效果;超声速喷注与凹腔混合研究中,喷注出口欠膨胀程度是必要的考虑因素;相同喷注总压条件下,低Ma数更有有利于喷注展向扩展及穿透,以及和凹腔内气体的混合。     

超声速气流中横向气体射流混合经验模型

为了获得适用于工程估算的射流穿透经验关系式,对射流中心迹线、穿透边界及喷注物展向分布特性进行模化处理,建立了描述超声速气流中横向气体射流混合经验模型,并通过系列实验观测结果对该模型有效性进行验证.结果表明:在较宽的动量比范围内(动量比为0.5~5.3),该模型预测的射流中心迹线和穿透边界均与实验图像吻合较好,在射流中心迹线附近,该模型预测的喷注物摩尔分数与实验测量值相比误差在5%以内,精度优于现有模型.随着动量比的增大,在喷孔下游一定区域内,射流引起的反转旋涡对增强,导致该模型对展向摩尔分数分布的预估产生一定误差,表明该模型的适用范围与动量比和下游距离等因素相关.      

涡流发生器控制下横向射流穿透特性及优化

在喷孔上游放置涡流发生器(VG),采用纳米粒子平面激光散射系统(NPLS)和粒子图像测速(PIV)技术对5种构型的VG诱导横向射流的流场进行了观测,提取其穿透深度并进行对比,结果表明在喷孔上游放置VG使射流穿透深度提高了30%~60%.对VG构型的几何参数、射流/来流动压比及VG流向位置等变量进行敏感性分析,表明射流/来流动压比对射流穿透深度的促进作用最大.根据目标函数进行了优化设计,表明当VG半锥角为36°、坡度为6°、VG尾缘与喷孔中心无量纲距离为38.8、射流/来流动压比为10.6时,无量纲穿透深度存在最优值12.68.      

单涡/贫油驻涡燃烧室的出口温度分布试验研究

本文采用实验方法对单涡贫油驻涡燃烧室的出口温度分布的影响因素进行了研究,通过分析实验数据得到了如下结论：（1）凹腔气量对出口温度分布影响较大。随着凹腔气量的增加,出口温度分布系数先增加后减小,这与掺混射流的穿透深度有关。（2）燃油掺混温度对出口温度分布的影响也较大。掺混温度小于423K时出口温度分布系数偏高,且随着温度升高略有增加。温度高于423K时出口温度分布系数开始减小。（3）燃油供油量对出口温度分布也有重要影响。当燃油量增加时,出口温度分布系数随之增加。     

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

基于双流体模型的超声速两相横向喷射流场研究

对两相超声速横向喷射试验进行了数值模拟.采用双流体两相流模型,在不同直径液滴和不同动压比条件下分别对两相超声速横向喷射流场进行了计算.结果表明:雾化液滴直径和喷射动压比对液体的横向穿透深度影响很大;雾化液滴直径的大小或者动压比的大小对喷口下游流场的影响区域是不同的.数值模拟结果与试验结果符合良好,为进一步的研究打下良好基础.      

微喷射流强化尾喷流混合的三维数值模拟

尾喷流是飞行器主要的红外辐射源之一,采用微喷射流技术能够对尾喷流红外辐射进行有效控制.对将微喷射流技术用于尾喷流混合进行数值模拟,研究结果表明:采用微喷射流技术后,在尾喷流中形成流向涡,强化了尾喷流与周围空气的掺混,高温核心区面积减小,并且发现微喷射流的出口横向尺寸和微喷射流在主喷流中的穿透深度是影响掺混的决定性因素.      

Modelling of the atomization of a plain liquid fuel jet in crossflow at gas turbine conditions

The penetration and atomization of a plain jet of kerosene fuel in air crossflow were modelled and compared with the experiment at test conditions relevant to lean premixed prevaporized combustion in gas turbines.Tests were conducted at an air velocity of 100 and 75 m/s and an air pressure of 6 and 9 bar at ambient temperature. The fuel nozzle diameter was 0.45 mm and the liquid-to-air momentum flux ratio was between 2 and 18. Measurement techniques employed include time-resolved shadowgraphs, Mie-scattering laser light sheets, and Phase-Doppler-Anemometry. Hence qualitative information on jet disintegration as well as quantitative data regarding jet penetration, fuel placement and dropsize distribution were obtained.The numerical model predicts the jet penetration by treating the liquid fuel jet conceptually as a cylinder deflected by the airflow. Fracture of the liquid column is modelled by a characteristic time criterion. Shear breakup of the liquid column and its fragments is modelled as liquid boundary layer stripping. The engineering model has been implemented as an extension into a 3d CFD-code with Lagrangian particle tracking. Within its application limits, the model fills the gap of lacking droplet initial conditions in numerical spray simulation, while at the same time requiring low computational effort.     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。