冷却环带喷注结构对煤油超临界液膜的影响研究

针对液氧/煤油补燃发动机液膜冷却过程,建立了超临界条件下的液膜冷却模型,分析了冷却环带喷注结构对局部流动和冷却效果的影响.在超临界条件下,煤油和周围燃气为同种流体,用同一组方程来描述其流动与传热过程,对3种典型冷却环喷注结构的流动进行了数值模拟.结果表明:冷却环带的出口角度、台阶结构和喷射角对局部流动和传热有显著影响,出口角度小于90°的台阶式结构可减小局部回流从而有利于推力室的热防护.      

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。     

离心喷嘴喷口结构参数对雾化性能的影响分析

为了提高航空发动机离心喷嘴的雾化性能,优化喷嘴喷口结构参数,基于两相界面追踪流体体积（volume of fluid,简称VOF）方法对离心喷嘴进行了仿真分析,并通过实验验证了VOF方法的可靠性。采用正交试验方法完成以喷嘴出口直径、出口直管段长度、扩张角、扩张段长度为优化参数,以雾化锥角、液膜厚度和流量系数作为雾化性能指标的试验设计。通过极差方差分析讨论各个参数对雾化性能指标影响的显著性并利用回归分析得到规律曲线,获得最佳参数组合。结果表明：4个结构参数中扩张角是对喷嘴雾化性能影响最大的因素;扩张角和喷口直径的增大可以明显地增大雾化锥角,减小液膜厚度和流量系数;扩张段长度的增加会使雾化锥角减小但会使液膜厚度和流量系数也减小;直管段长度的变化对各指标的影响不大;当扩张角θ为60°、出口直径D为0.6mm、出口直管段长度L1为0.3mm、扩张段长度L2为0.4mm时,雾化性能最佳。     

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%。     

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。     

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。     

厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

液气式针栓喷注单元喷雾场结构试验研究

径向孔型针栓喷注器相对于径向缝型针栓喷注器具有更复杂的喷雾场。为了研究径向孔型针栓喷注器的喷雾场结构，将径向孔型针栓喷注器简化为单个气体射流与液膜碰撞的针栓喷注单元，采用了背景光成像系统结合激光相位多普勒技术（PDA），以水和空气为模拟介质，对液气式针栓喷注单元的喷雾场进行了试验研究。试验结果表明，液气式针栓喷注单元喷雾的三维结构呈现“喇叭”状。根据喷雾的形成过程及液滴的分布，液气式针栓喷注单元喷雾可以划分为4个区域：碰撞区、液滴区、液雾区及液丝区。液气式针栓喷注单元喷雾的分布范围可由内边界角、外边界角、中线角及散布角表示，均随局部动量比的增大而增大。液滴区的粒子主要由碰撞过程产生，SMD较大；液雾区的粒子经碰撞过程产生后，在气动力作用下进一步雾化，SMD小。由于液雾区的速度和粒径同时受到气动力作用的影响，粒径分布与速度分布在空间上呈现负相关趋势。     

针栓式喷注器雾化特性试验

采用高速摄影和马尔文测粒系统对针栓式喷注器雾化特性进行研究，得到了索太尔平均直径（SMD）、粒径分布均匀度指数和雾化锥角随针栓式喷注器结构参数的变化趋势。结果表明:SMD沿喷注轴向均匀不变，沿径向增加；随着气液流量比的增大SMD减小，而粒径分布均匀度指数先降低而后有所回升；粒径分布均匀度指数与狭缝宽度的乘积近似为常值0.35；当气液流量比大于0.206时，由于气动力的作用，雾化边界可分为两段，上面段为收缩段，下面段为等直径段；在针栓式喷注器设计时，狭缝宽度取值越小越好，而液膜半锥角应当考虑SMD和雾化锥角折中选取。      

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。     

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.      

厚液膜敞口型离心喷嘴动力学特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的动力学特性,开展了厚液膜敞口型离心喷嘴动力学响应特性试验研究。使用水为工作介质,通过改变喷嘴切向孔直径实现了旋流腔液膜厚度改变,通过脉动发生装置在喷嘴上游的供应管路上产生流量和压力振荡。使用脉动压力传感器记录了喷前压力的振荡特性,使用高速相机记录了旋流腔内流过程和喷注雾化的响应特性。研究发现：当扰动波较长时,旋流腔内液膜的厚度和喷嘴的喷雾角均周期性变化,厚液膜和薄液膜喷嘴内流过程对扰动波的动力学响应特性差别不大;随着扰动波长缩短,旋流腔内液膜局部"缩口","缩口"向下游传播并使喷雾过程出现Klystron效应;当扰动波较短时,相较于薄液膜喷嘴,厚液膜喷嘴旋流腔内流动过程对扰动波的耗散作用较弱,但厚液膜喷嘴的雾化过程对外加扰动始终不敏感。     

涡流冷却推力室燃烧效率分析

为了分析喷注器对涡流冷却推力室燃烧效率的影响,开展了2kN气氢/气氧涡流冷却推力室的设计、仿真与试验研究,设计加工了三种不同喷嘴分布直径的氢喷注面板,在试验过程中测量了推力、燃烧室圆筒段内壁面温度、内壁面压力等参数,利用热力计算、流场仿真与试验测量结果对涡流冷却推力室燃烧效率进行了分析。结果表明,在所分析的三种喷注面板中,喷嘴分布半径最大的推力室燃烧效率最高,为97.6%。同时开展了透明燃烧室的试验研究,高温火焰在燃烧室圆筒段59.5％半径以内区域,验证了内外涡流结构的存在。仿真结果表明,氢喷嘴分布直径影响燃烧区域的分布,从而影响燃烧效率。      

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。     

无旋锥形液膜表面波不稳定性试验研究

为了研究针栓式喷注器无旋锥形液膜表面波不稳定特性,采用高速摄影获得了不同压降下表面波波动图像,测量了液膜表面波破碎点波长、振幅以及破碎长度等特征信息。利用试验结果修正了无旋锥形液膜色散方程中的参数C和ln(η_bη_0),并求解了色散方程。研究了喷注压降对液膜破碎长度、破碎时间以及破碎点波长的影响。结果表明:随着喷注压降的增加,液膜破碎长度和破碎时间均降低,并且降低趋势越来越缓,液膜表面波发展的非线性增强,理论值与试验值的偏差由3.9%增大到29.2%;液膜破碎位置处扰动波长随喷注压降的增加而降低,并且试验值比理论值偏大50%左右,无旋锥形液膜破碎模型可定性分析针栓式喷注器液膜表面波不稳定性。     

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.      

基于OpenFOAM的真实流体模型库及均相求解器开发

为了正确认识高压环境下的流体非理想性特征,及其对于低温射流喷雾过程的影响作用,将多种不同真实流体模型写入到开源CFD程序OpenFOAM仿真平台中,编译形成具有广泛通用性的真实流体热物理模型库;并将高压下真实流体特征的影响引入到压力修正算法中;开发出适用于描述超临界环境下低温流体流动过程的均相求解器。对高压下流体热物理性质的非理想性,以及超临界环境下的低温液氮射流喷注过程进行研究。结果表明:高压下的真实流体效应主要体现在低温区域,本文所建立的模型库可以在任意热力学状态范围内正确预测流体热物性;基于此模型库所开发的均相求解器可正确预测超临界环境下低温射流的详细流动特征和结构,而理想气体模型则会大幅低估射流核心区密度分布,中心线上误差高达68.9%;综合考虑计算精度和效率,PR EoS及相关模型更适合于这类超临界流动问题的求解;低温射流跨临界喷注中局部区域所发生的虚假沸腾现象会导致射流温升速率降低、体积膨胀速率加快;射流核心区压缩因子明显1,在数值仿真时必须考虑高压环境下的真实流体效应。     

针栓式喷注器液膜下漏率预估模型

为了对针栓式喷注器液膜下漏率进行准确预测,基于针栓式喷注单元喷雾场结构分析,结合理论推导、数值仿真及试验研究3种方法建立了液膜液束各自变形的相对变形量模型;在考虑液膜液束变形的基础上,引入相互影响系数表征多喷注单元间相互影响,建立了实际阻塞率和实际下漏率模型。通过数值仿真及试验结果的多参数充分验证,结果表明:理论预估模型与数值仿真及试验结果一致性较好。液膜液束相互作用下,液膜绕液束流动和液束根部横截面前后缘位置移动不同步导致的展向变宽分别是液膜和液束发生变形的主因,且有效动量比越大,液膜相对变形越大,液束相对变形越小。对于一定阻塞率的几何结构,结果表明:下漏率随着有效动量比的增大而增大,增大趋势呈先快后缓,且实际下漏率均小于几何下漏率,这是由膜束变形导致的实际阻塞率比几何阻塞率更大造成的。另外,发现液膜下漏率仅与表征流场结构(有效动量比)及几何结构的无量纲参数(液膜厚度与液束直径之比和阻塞率)有关,与喷射速度的绝对值无关,并给出了模型中的常系数供工程设计预估使用,对从设计初期就考虑针栓头的热防护问题具有重要的指导意义。     

结构参数对喷嘴性能影响的数值研究

为了更好地了解离心式喷嘴的结构参数对其性能的影响,采用两相界面追踪流体体积方法(Volume Of Flui d,VOF)对离心式喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟研究。结果表明:增大喷嘴旋流室直径与出口段直径比DS/D0,能够减小液膜厚度和喷雾锥角;增大旋流室长径比LS/DS,能够增大液膜厚度,减小喷雾锥角;增大出口段长径比L0/D0,会使液膜变薄,喷雾锥角减小;增大旋流室半锥角θS,会使液膜变厚,喷雾锥角减小。     

针栓式喷注单元雾化角模型分析

为了实现不同径向孔形的针栓式喷注器雾化角的准确预测，从动量守恒方程出发建立了液膜撞击液膜和液膜撞击液束的雾化角理论修正模型。对于液膜撞击液膜的喷注单元，模型中通过理论推导引入了2个变形因子，将撞击的几何变形效应与雾化角关联；对于液膜撞击液束，通过引入阻塞率定义有效撞击动量比，同时将液束入口孔形的影响隐含考虑在变形因子中，最后根据高速摄影试验结果和数值仿真结果获得了对应的变形因子组合系数，使得新的雾化角模型适应性更广、准确性更高。结果表明：引入变形因子和阻塞率的理论模型预测值与试验及数值仿真结果吻合很好；对于液膜撞击液膜，变形因子基本维持在0.9~1.1，根据试验结果及仿真结果，变形因子推荐值为C₁=0.99和C₂=1.06；对于液膜撞击液束，变形因子推荐值为C₁=0.75和C₂=1.25。该模型根据实际出口的轴向动量和合成总动量计算雾化角，隐含考虑了撞击作用造成的影响，较根据撞击前入口的轴向动量和合成总动量计算雾化角的常用模型预测值准确度显著提高，为针栓式喷注器的理论研究和工程设计提供了重要参考。