液体喷嘴动态特性数值模拟

对直流、离心喷嘴进行了理论分析,采用"频率法"对直流和离心喷嘴的动态特性进行了数值模拟,所得结果表明:增加振荡频率会导致直流和离心喷嘴流量的振幅降低和相移增大,而增大压降则结果相反;在相同工况下,当直流喷嘴增大长径比或离心喷嘴增大几何特性时均会导致振幅降低和相移增大,离心喷嘴喷口长度增大导致相移增大,而对振幅无明显影响。此结果与国外研究结果符合较好,并为进一步开展喷嘴动力学研究奠定了基础。      

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

旋流雾化喷嘴雾化特性的数值模拟

为了掌握旋流雾化喷嘴的雾化特性,基于CFD软件建立了该喷嘴的几何模型进行数值模拟,在验证了网格无关性和数值模拟结果可靠性之后,通过VOF和Realizable k-ε模型对不同压差工作条件下和不同结构的喷嘴分别进行数值模拟。结果表明:旋流雾化喷嘴的雾化流量、雾化锥角和流量系数会随着进、出口压差的增大而增大;喷嘴的旋流强度会随着喷嘴进、出口压差的增大而减小;当喷嘴的出口直径和出口长度增大时,喷嘴的各项雾化参数与理论值更接近,相应的雾化效果变好。     

多射流喷射器的压电激励特性

采用数值模拟方法研究了多射流喷射器的压电激励特性，获得了喷射器的压力、流量和速度波动特性。研究结果表明:多射流喷射器内的压力脉动主要受壁面运动特性影响，压力振幅随激励频率增大而增大；而封闭腔内的压力脉动与壁面位移造成的容积变化有关，压力振幅不随激励频率变化，因此基于封闭腔假设的理论计算方法不能准确预测喷射器的压力脉动。在多射流喷射器内，入口和出口的流量振幅不相同；不同位置的压力振幅分布不均匀导致了不同喷孔的速度振幅存在差异，并对射流形态产生影响。      

海上小井眼脉冲空化射流发生器射流特性室内试验研究

为了经济地开发海上边际油气资源,将小井眼单通道井井身结构及水力脉冲空化射流提速技术相结合研制出了小尺寸（外径为120mm）水力脉冲空化射流发生器,并采用室内试验研究了其射流特性。分析了其在不同排量下的出口压力脉动频率、入出口压力脉动振幅、工具压耗等参数和自激振荡喷嘴的射流特性。研究表明,出口压力脉动频率与排量呈线性增大关系,入口及出口压力脉动振幅随排量增大而呈增大趋势,工具压耗与排量呈2次增大关系,自激振荡喷嘴能够产生负压和空化效应。     

基于正交设计的气-气喷嘴数值模拟

通过应用正交表安排喷嘴的主要参数以进行设计,并对以气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴进行数值模拟.选择燃烧位置为评价喷嘴性能的参数,研究单喷嘴质量流量、氧喷嘴压降、速度比和氧喷嘴出口角度对喷嘴的燃烧位置的影响.通过对数值模拟的结果的极差和方差分析表明:增大流量使推进剂的燃烧位置远离喷注面,流量是对燃烧位置影响程度最大参数;提高速度比使燃烧位置与喷注面距离缩短,而氧压降和氧喷嘴出口角度变化对燃烧位置的影响较小.      

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。     

氢氧同轴式喷嘴流量特性试验和理论分析

介绍了氢氧直流同轴式喷嘴结构参数对流量特性的影响的热试验研究结果,并采用一维数值分析模型计算了结构参数对喷嘴流量特性的影响。结果表明:计算结果与热试数据相吻合。喷嘴结构参数变化将引起喷嘴压力损失变化,并导致喷嘴流量特性发生变化;氢氧喷嘴流量系数随缩进深度增大而减小;氢喷嘴流量系数随环形间隙增大而减小,氧喷嘴流量系数则反之。      

气液同轴喷嘴缩进室动态特性均相流模型

采用频率法对气液同轴喷嘴缩进室内气液两相流动态特性进行了分析.采用均相流模型,在把液相介质参数看作集中参数的条件下讨论了缩进室边界压降振荡对液相质量流量振荡的动态响应.通过对模型喷嘴算例编程进行计算,结果表明:随着扰动频率的增加,缩进室两端压降振荡的振幅增大,压降振荡与液体流量振荡之间的相位差也增大.较小长径比的缩进室以及较小的液体喷嘴质量流量、大气液比和高反压可以抑制缩进室边界压降振荡.      

封严腔体出口流场的非定常数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流的非定常特性对主流的影响机制,在不同封严流量下对封严腔体出口的流场进行了三维非定常数值模拟,细致分析了封严腔体出口流场的非定常特性。结果表明封严腔体出口附近流场呈现出强烈的三维非定常性。随着封严流量的增加,燃气入侵作用和转动壁面摩擦的泵吸效应不断减弱。在腔体内部从转动壁面到静止壁面燃气入侵的区域和强度都有所降低。腔体出口燃气入侵和封严出流的周向分布是由静子作用主导,转子转动造成燃气入侵和封严出流的位置发生周期性变化。同时,随着封严气流出现,封严腔体出口流场出现由静子作用主导到转子作用主导的转变。由于燃气入侵和封严出流造成腔体出口附近封严气流和主流之间强烈的流量交换,小封严流量下非定常波动强度较大并出现低频扰动。封严流量IR=0.0%时,低频脉动最大幅值所对应的频率为0.333倍转子通过频率,IR=0.5%时为0.467倍转子通过频率。封严流量增大后非定常波动强度逐渐降低,低频扰动逐渐减弱甚至消失。     

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。     

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。     

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。     

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。     

液体离心式喷嘴脉动流量测量方法

为了对离心喷嘴动态特性进行实验研究,根据离心喷嘴内部流动的特点,以多孔钛材料为电极并结合锁相放大电路研制了一种离心喷嘴内部脉动流量的测量装置,并对敞口型模型离心喷嘴进行了实验测量。初步实验结果表明此方法及测量传感器可用于离心喷嘴内部脉动流量测量,对离心喷嘴动态特性的实验研究具有重要意义。     

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。     

敞口型离心喷嘴动力学特性理论分析

1引言敞口型离心喷嘴,图1(a),广泛应用于液氧/煤油液体火箭发动机中,如俄罗斯的液体火箭发动机RD120和RD170[1]。在稳态工况下,相对于收口型离心喷嘴,图1(b),敞口型离心喷嘴在雾化质量方面并没有明显的优势,甚至差于收口型离心喷嘴[2,3]。Ba-zarov认为敞口型喷嘴除了起到喷雾和     

背压对液体离心喷嘴喷雾锥的影响

通过理论结合数值仿真的方法考虑背压对液体火箭发动机用液体离心喷嘴喷雾锥的影响。在理论模型的基础上,使用旋转轴对称模型对离心喷嘴内外流场求解耦合VOF方程的N-S方程组的数值模拟表明:背压增加,喷雾锥内外压差使喷雾锥向内收缩。基于流场参数分析,建立内外压差的经验公式,得到了与实验吻合的考虑背压影响的喷雾锥模型。     

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.     

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.