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。     

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。     

结构参数对敞口型离心喷嘴动态特性的影响

为了研究敞口型离心喷嘴结构参数及工况参数对其动态特性的影响, 以RD120预燃室煤油喷嘴的大致结构尺寸为参考, 设计一组算例进行了计算.计算结果表明:敞口型喷嘴内的流量相对振幅会随振荡频率的增加而下降, 滞后相移随振荡频率的增大而单调增加.压降越大, 流量相对振幅越大, 相移越小.具有较大几何特性A和旋流腔长径比的敞口型离心喷嘴可以阻尼掉更多的流量振荡.敞口型喷嘴的滞后相移会随旋流腔长度的增大而线性增大, 据此可以调节切向入口的轴向间距来滤除某一频率的振荡.      

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%。     

自激振荡过程中喷嘴内部扰动的产生及传递机制

气液同轴离心式喷嘴是液体火箭发动机采用的极其重要的喷注单元类型。但其容易产生自激振荡，可能会诱发不稳定燃烧，严重影响发动机的研制，而目前对于自激振荡过程中喷嘴内部非定常流动过程的认识还十分有限。借助试验及数值仿真手段对液体中心式气液同轴离心式喷嘴自激振荡过程中液膜的运动形变轨迹、振荡的产生原因及压力扰动在喷嘴内部的传递过程进行了系统分析。研究发现：喷嘴内部流场的压力振荡是由于缩进室内部液膜的周期性堵塞作用产生的，且振荡最先发生于缩进室内部液膜外侧；此后，压力振荡会以一定的相位差通过气体环缝及内部离心式喷嘴向上游传递，从而引起环缝气体、中心气核压力发生相同频率的振荡；当自激振荡强度足够大时，便会引起集液腔压力振荡，且振荡频率与自激振荡频率一致。     

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.      

三组元喷嘴雾化特性的试验研究

三组元喷嘴是气氢／液氧／煤油火箭发动机的重要部件,对４ 种类型的三组元喷嘴进行了雾化特性试验, 研究了喷嘴的雾化特性随各组元喷注压降的变化规律, 分析了喷嘴结构对雾化性能的影响, 比较了相同工况下单喷嘴和三喷嘴的雾化性能, 进行了三组元工况和双组元工况下的雾化特性试验, 试验结果表明同轴离心内混式喷嘴的雾化性能较好。所得结论对三组元喷嘴和气液同轴式喷嘴的优化设计有重要的参考价值     

离心喷嘴气涡固有声学频率预测

为得到准确的离心喷嘴气涡固有声学频率，通过renormalization group(RNG)k-ε湍流模型和volume of fluid(VOF)气液两相流模型进行数值仿真研究。仿真结果表明将离心喷嘴与喷嘴出口锥形液膜视为一个声学系统可准确预测固有声学频率，修正后离心喷嘴固有声学频率计算公式可准确计算气涡中不同气体介质的1、2阶声学频率，误差在3%以内。室压扰动频率等于离心喷嘴固有声学频率时两者发生耦合共振，气涡压力脉动振幅增加量约为室压扰动幅值的16倍，气涡声学压力脉动可能传入上游供应系统，引起喷注不稳定。     

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。     

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

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。      

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。     

离心喷嘴脉冲工作动态特性实验研究

双组元推力器在短脉冲工况下比冲出现明显下降。为了从推进剂雾化角度研究其原因,搭建了离心喷嘴脉冲工作冷流实验平台,使用机械式脉动流量发生器使喷嘴工作在脉冲模式。实验中测量了离心喷嘴的动态压降和索太尔平均直径SMD随时间的振荡,并使用高速相机拍摄了喷雾场和喷嘴内部流动的瞬时照片。通过提取图像边界的方法测量了液膜锥角的变化,并计算了一个周期内不同大小SMD时间占比分布。瞬时照片和SMD的测量结果表明,脉冲工作的离心喷嘴在脉冲工作时会出现柱状射流或由调速管效应形成的厚液环,导致喷雾场出现较大液滴。喷雾锥角测量结果表明,脉冲结束后液膜并不随着压降下降而直接收缩,而是继续保持较大锥角一定时间。对SMD的分析表明,脉冲宽度越小,一个脉冲内非稳态喷雾时间占比越大,导致整个脉冲的雾化质量越差。根据本文研究结果,为了提高离心喷嘴窄脉宽工作时的雾化性能,需要尽可能消除柱状射流和调速管效应的影响。     

Periodic atomization characteristics of simplex swirl injector induced by klystron effect

The atomization dynamic characteristics of a simplex swirl injector was investigated experimentally by using a hydrodynamic mechanical pulsator and the shadow photography technique. The frequency response characteristics of the fluid film and atomization fluctuations and their correlations with pressure fluctuations were obtained by using an in-house code of image processing. It is demonstrated that the klystron effect induced by periodic pressure fluctuations results in periodic liquid film fluctuation with large amplitudes, periodic superposition of droplets and reduction of the breakup length. It was found that the atomization of the simplex swirl injector only responds to the pressure fluctuation in frequency range approximately from 0 to 300 Hz, and it is particularly sensitive to pressure fluctuations at frequencies from 100 to 200 Hz. According to this experiment, the responsive frequency limitation is merely affected by injector configuration, rather than the supply line.     

基于VOF方法分析离心式喷嘴结构参数对性能影响

基于两相界面追踪流体体积(volume of fluid,简称VOF)方法模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,在数值方法可靠性验证基础上,得到了15个喷嘴构型的流量系数、液膜厚度以及雾化锥角.定义无量纲影响因子η,比较喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响程度.除了喷嘴直径和旋流室直径外,重点研究了出口扩张角、等直段长径比等结构参数的影响,通过与试验相对比,综合以往经验公式,得到如下结论:增大旋流室长度,能够增大雾化锥角;在喷嘴出口增加扩张角,能够显著地减小液膜厚度,减小雾化锥角;增大切向口距喷嘴顶部距离,能够改善喷嘴性能;切向口个数和等直段长度对喷嘴性能影响不大.该工作为下一步优化喷嘴构型打下了基础.