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。     

双层旋转锥形液膜一次破碎特性数值研究

为了全面加深对锥形液膜一次破碎机理的认识,对双层锥形液膜的雾化过程进行了数值模拟,重点研究了压降和同轴旋转空气对双层液膜宏观形态、液膜破碎模式、液膜破碎长度和喷雾锥角等液膜一次破碎特性的影响。数值计算的喷雾场宏观形态与试验结果接近,喷雾锥角和索特尔平均直径的计算最大误差分别为4.9%、7.4%。研究表明：同轴旋转空气参与雾化会改变喷雾场的整体形态;增大压降和空气速度会改变液膜的破碎模式和主导表面波模式;双层液膜的合并会在液膜表面产生剧烈的表面波动,同时会略微增大液膜的喷雾锥角;液膜的破碎长度会随着压降和同轴旋转空气轴向速度的增大而减小。该研究有助于进一步研究双层液膜一次破碎的机理,从而指导对双路离心式喷嘴的雾化认识。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术，对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟，揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时，射流会随着时空演化逐渐失稳，而当大于临界值时，表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构，在其表面留在冲击凹痕；随着波节振幅不断增大，液膜发生穿孔式破裂，进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动，从而减缓射流的雾化进程；射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小，且两者存在相互耦合。     

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。     

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。     

液体离心喷嘴喷雾场动态特性的初步研究

为了研究喷嘴的动态特性,建立了喷嘴动态特性试验系统。采用高速动态图象测量设备,以水为模拟介质,对离心喷嘴喷雾场轴向速度、离心液膜破碎距离及表面波波长等参数进行了初步研究。结果表明:在脉动工况下,喷嘴压降及几何特性系数的变化对喷雾场轴向速度及离心液膜相关参数影响较大;所设计建造的试验系统及采用的测试仪器和试验方法可满足喷嘴动态特性研究的需要。      

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。     

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。     

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.      

离心式喷嘴充填过程内部流动特性仿真

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴充填过程中的内部流动特性。研究了气液界面随时间的变化过程,发现了充填过程中气核收缩和旋转液膜的现象;通过提取气相体积分数等值线的方法计算了充填过程中喷嘴出口液膜厚度和喷雾锥角的变化。结果发现:液膜厚度随出口流量的增大而增大,出口喷雾锥角随出口流量的增大而减小;描述了喷嘴旋流室内的回流现象,分析了充填完成后的压力场和速度场分布,发现在压降和气液作用的共同影响下,中心气核轴向速度沿轴向先增后减。      

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。     

压力振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究供应系统振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了供应系统有/无振荡两种情况下离心式喷嘴的喷雾形态,以及供应系统有/无振荡两种情况下气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态。发现当离心式喷嘴供应系统振荡时,离心式喷嘴产生的锥形液膜也周期性地振荡,同时出现Klystron效应。液膜周期性振荡以及Klystron效应出现的频率与供应系统振荡频率一致。Klystron效应的出现使得喷雾锥角突然减小,锥形液膜发生折叠。供应系统振荡对自激振荡喷雾形态也有显著影响。供应系统振荡引起的Klystron效应使得液膜锥角减小,从而造成"圣诞树"型自激振荡喷雾上的"树枝"增多,同时自激振荡频率增加。这是因为当速度大的液膜追上速度小的液膜时,就会产生Klystron效应并使液膜速度增加。而液膜运动速度越大自激振荡频率也就越大。虽然在供应系统中施加激励没有发生"锁频"现象,但是自激振荡的强度在一定程度上减弱,并且伴随着自激振荡的"分频"现象,即自激振荡频率从一个主频向两侧分化为两个主频。     

振动对液滴撞击壁面铺展特性的影响

在航空航天领域的喷雾冷却过程中，被冷却器件时常处于振动状态，因此确定振动对喷雾冷却液滴撞击壁面动态行为的影响有重要意义。基于VOF方法和动网格模型建立了液滴撞击垂直简谐振动壁面的数值模型，研究了壁面振幅、频率和初始相位角对铺展特性的影响。结果表明，相同撞击条件下，壁面振动不仅影响着最大铺展因子和铺展时间的大小，还会使液膜发生断裂抑制和飞溅行为；初始相位角为0°时，铺展时间随振幅和频率的增加而减小；最大铺展因子随振幅的增加一直增加，振幅较小时，最大铺展因子随频率的增加先增加后减小，在共振频率处取得最大值且减小程度随振幅的增大逐渐降低，振幅较大时，最大铺展因子随频率的增加变为一直增加；铺展时间和最大铺展因子随初始相位角的变化趋势主要与频率有关，频率较小时，初始相位角对铺展时间和最大铺展因子无明显影响，随着频率的增加，铺展时间先后在180°和90°相位最大，最大铺展因子先后在0°和180°相位最大。     

离心喷嘴声学相关热试验频率分析与计算

针对采用离心喷嘴的氢氧预燃室，基于高频脉动压力的热试验数据，对比了试验频率的变化趋势和与之相关的主要测试参数的变化规律，初步推测影响热试验频率的根本因素是离心喷嘴内部液膜的声速和燃烧室压力。发展形成了基于声学理论计算喷嘴频率的半经验公式，使用喷前压力和修正了的液氧温度查询声速计算的喷嘴频率。半经验公式的计算结果与试验实测频率吻合很好，分析认为类似管路声学频率计算的半经验公式同样适用于离心喷嘴。声学频率决定了离心喷嘴液膜主导表面波波长的初始值，主导表面波流动所受气体阻力随压力及液膜速度升高而增大使其波长减小，液膜一次破碎的频率升高，可能是热试验频率与燃烧室压力正相关的影响机制。     

平板式预膜喷嘴初次雾化特性试验

为深入了解平板式预膜喷嘴初次雾化特性,试验研究不同进口条件对平板式预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律。试验采用了背光照明和片状激光照明相结合的高频拍摄手段分别获得液膜俯视和侧视破碎形态,同时运用本征正交分解(POD)法和液膜边缘定位等分析方法进行光学图像结果后处理,获得表征平板式预膜喷嘴初次雾化特性三个物理量:液膜波动频率、破碎距离和横向不稳定波长。试验结果表明:①通过分析侧视和俯视破碎形态,平板式预膜喷嘴液膜破碎形态可分为三类:末端破碎、波浪脱落和表面剥离,进口韦伯数对预膜喷嘴破碎形态的影响占主导地位;②把POD法和液膜边缘定位方法等相结合方法应用到高频非接触光学喷嘴雾化图像的后处理分析中,是一种非常有效的数据后处理方法;③液膜初次雾化特性主要受到进口韦伯数和气液动量比的影响,破碎距离和横向不稳定波长都随进口韦伯数的增加而降低,液膜表面不稳定波动频率随进口韦伯数的增加而增加,所获得的经验关系式与试验数据吻合较好。所获得的进口参数对液膜破碎形态和雾化特性的影响规律为喷嘴后续优化设计提供了依据。     

喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响

为了研究喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响，对长喷口离心喷嘴内部流动状况进行了理论分析。采用高速动态测量分析系统，以水为模拟介质，对离心喷嘴流量、液膜展开角、喷雾场轴向速度等参数在不同压降工况下，随喷口长度的变化进行了试验研究。结果表明：喷口长度的增加使离心喷嘴流量增大、液膜展开角减小、喷雾场轴向速度降低；推导了长喷口离心喷嘴流量系数和液膜展开角的经验公式，该公式可供实际工程应用参考。     

幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

气液比对气液同轴离心式喷嘴缩进室内流动过程的影响

为了研究气液同轴离心式喷嘴缩进室内部非定常流动过程,采用Level Set和VOF相耦合的方法结合网格自适应技术对缩进长度为8 mm的液体中心式气液同轴离心式喷嘴流动过程进行了数值仿真研究,计算得到了较为精细的液膜一次破碎过程、流场结构和压力振荡特性。结果表明：液膜的破碎模式受气液比的影响较大,随气液比的增加,液膜破碎模式由曲张表面波主导的破碎变为穿孔破碎。此外,清晰获得了自激振荡过程,分析了缩进室内部压力场及速度场分布特征,研究发现随着气体压降增加,气体环缝出口会出现膨胀波和激波,形成一个“扇环形”的超声速流场区域；激波后气流分离,出现旋涡,形成局部高压区,旋涡中心随激波面周期性地上下移动,致使局部压力出现周期性振荡。     

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.