液体火箭发动机背压振荡环境下的雾化特性研究进展

为加深对背压振荡环境下雾化特性的认识，针对在液体火箭发动机中广泛应用的气液同轴直流式喷嘴、撞击式喷嘴与离心式喷嘴，综述了背压振荡环境下单束液体射流、气液同轴射流、射流撞击以及旋流雾化特性的研究进展，总结了背压振荡影响雾场的主要作用机制，阐述了以往研究中存在的一些问题以及需要突破的若干关键技术难题。通过综述可知，背压振荡主要通过两个方面影响雾场：一是通过改变喷注压降影响喷射，继而影响雾化过程；二是通过振荡的气相流场直接作用于雾场。背压振荡环境下的雾化研究仍需要开展大量工作，且需要突破以下几个技术难点：在试验方面，需要设计可以产生高频率、高幅值压力振荡的反压舱装置，同时对雾场的干扰要降到最小；发展先进的光学诊断方法，可以用于反压舱内雾场信息的提取；在数值模拟方面，需要开展雾化过程的高精度数值模拟，同时研究压力波的产生、发展及演化过程，在这两点基础上研究背压振荡与雾场的相互作用。     

高压下液体射流破碎雾化特性实验研究

为深入了解高压环境中液体射流破碎雾化过程,相对准确描述射流形态,进行了一些实验研究。利用一种高速液体喷射装置,采用脉冲Ｘ 射线成像技术,研究了多种喷嘴在不同环境反压中所形成液体射流的扩展结构。虽然Ｘ 光成像方法很难对雾化液滴进行分析,但它可以显示射流内部结构、分析未破碎部分的形态。实验表明,随着环境反压的升高,圆柱形射流的破碎点向喷口移动;环形射流离开喷口后发生聚合,聚合点随反压升高而前移     

基于反正切曲线压升规律设计高超内收缩进气道

采用反正切曲线压升规律设计了轴对称基准流场,该压升规律初始部分压缩较缓,可产生较弱的前缘激波,末尾部分压缩较缓,可产生较小的内收缩比,中间部分压缩量较大,主要对气流压缩.对该压升规律的3个系数进行了参数化研究,得到各系数对流场压缩效率,压缩量,以及重要几何参数的影响规律.基于该基准流场设计了圆形进口内收缩进气道,并进行了无黏及黏性数值研究.结果表明:采用该压升规律可以有效减小进气道前缘激波强度,提高压缩效率,同时具有较小的参考内收缩比,进气道在设计点和非设计点均具有良好的流量捕获特性和较高的压缩效率.      

高反压下喷嘴雾化特性的理论探讨

 本文对高反压下正压力指数的喷嘴雾化特性的可能原因进行探讨。试验技术上采用高压封闭容器,引起小液滴回流会造成液雾测量上畸变。从机理上,本文提出两个因素:对空气雾化喷嘴,由强紊流脉动与液滴簇的相互作用可能引起不同尺寸液滴碰撞而凝聚;对压力雾化喷嘴,可能由于高反压下液体微团速度迅速衰减而使决定最终雾化生成的气动作用力比低反压时为小的情况出现,本文详细分析了后者情况,证明通常文献及书中普遍叙述“高反压下促进雾化的气动作用力增大”的论点,并不完全正确。     

某离心式喷嘴雾化特性及优化设计研究

喷嘴结构参数、喷油压降和燃油物性对喷嘴雾化特性具有重要影响。采用数值计算和试验手段研究某离心式喷嘴航空煤油和0#柴油雾化特性及差异性,并讨论喷嘴内部流动和喷嘴结构参数对雾化特性的影响。结果表明:数值计算与试验值存在差异,但雾化锥角、流量系数等随压力变化的趋势一致,验证了流体体积函数(VOF)追踪油气两相界面的正确性;喷嘴内部气、液相的涡是内部流动不稳定和气液面波动的原因;几何结构参数对喷嘴雾化特性影响明显;优化后的喷嘴结构,流量系数和雾化锥角分别增大了0.15和0.16倍,而喷嘴出口液膜厚度减小了0.53倍,明显改善了该喷嘴的雾化质量。     

喷嘴形式对幂律型非牛顿推进剂雾化特性的影响

为寻求幂律型非牛顿推进剂有效的雾化喷嘴形式,采用与该推进剂流变特性基本一致的水基模拟液对直流式喷嘴、撞击式喷嘴、剪切撞击式气动雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴和离心式喷嘴进行了雾化特性实验,比较了喷嘴形式及其结构参数对雾化特性的影响.结果表明:撞击式喷嘴是一种有效的雾化形式,撞击角度和射流速度是主要影响参数;气泡雾化喷嘴是一种高效的雾化方法,在约为4%的气液比下使水基模拟液破碎并产生液滴.      

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

非牛顿流体射流雾化特性研究进展

本文总结了有关非牛顿流体射流雾化特性的研究进展。首先,阐述了预测非牛顿液体射流初次雾化失稳特性的理论方法,介绍了有关非牛顿流体射流初次雾化的实验现象和特性参数。当射流初次雾化的过程结束后,破碎产生的液滴会在高速气流中发生二次雾化。随后,总结了国内外有关非牛顿流体液滴二次雾化实验研究的相关进展。分析了液滴二次雾化的实验现象,总结了不同种类液滴二次雾化过程中所研究特性参数,如破碎模态、临界韦伯数和初始变形时间等随来流气体参数之间的关系,并介绍了基于液滴二次雾化物理过程所建立的预测喷雾场液滴平均粒径的雾化模型。最后,基于目前的研究现状,给出了非牛顿液体射流初次雾化和二次雾化实验研究的后续重点研究方向及建议。     

双旋流空气雾化喷嘴喷雾、流动和燃烧性能

 综述了现代燃烧室广泛使用的双旋流空气雾化喷嘴的关键设计参数以及工况对装该种喷嘴的燃烧室性能的影响。双旋流空气雾化喷嘴的关键设计参数包括双旋流器、文氏管、套筒的结构、旋流器的旋流数、套筒张角、文氏管与套筒的相对尺寸等,这些参数与燃烧室主燃孔一起作用,控制了该喷嘴的喷雾和流动特性,从而控制着燃烧特性,如点火、熄火及燃烧效率等。这些讨论为设计该类结构燃烧室打下理论和经验方面的基础,是优化和提高这种类型燃烧室的性能的重要参考。     

高反压下喷嘴雾化特性的理论探讨

本文对高反压下正压力指数的喷嘴雾化特性的可能原因进行了探讨。试验技术上采有稿压封闭容器，引起小液滴回流会造成液雾测量畸变。从机理上，本文提出两个因素：对空气雾化喷嘴，由强紊流脉动与液滴簇的相互作用会引起不同尺寸液滴碰撞而凝聚，对压力雾化喷嘴，可能出现由于高反压下液体微团速度迅速衰减而使气动作用力小于低反压下的气动作用力。本文详细分析了后一情况。证明通常文献及收中所述“高反压下促进雾化的气动作用增大”的论点，并不完全正确。     

气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

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     

气泡雾化喷嘴水平喷射特性的研究

研究了一种喷嘴的雾化与流场特性。在喷嘴上游以一定方式将空气或其它种类的气体注入液体中形成两相流动，用水在常温、常压下进行试验。研究了水平喷射时，喷嘴的气体注入方式、气孔大小、锥形收敛段的结构尺寸及气液比对喷嘴雾化和流场特性的影响。试验结果表明，气泡雾化喷嘴水平喷射与竖直向下喷射存在明显的差别，喷射方向不同，喷嘴内的两相流动不同，因而雾化特性不同，收敛段的结构对雾化特性也有影响。该喷嘴的显著特点是在小气液比下可获得较好的雾化效果，因而具有深入研究的价值     

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。     

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。     

静电场对轴对称射流雾化效果的影响

设计和组装一台实验装置,研究了柴油通过压缩空气进行喷射时,静电场对轴对称射流液体的浓度分布影响。结果表明：在无电场作用时,随着靶盘距喷嘴距离的增加,液流浓度逐渐减小;当喷雾压力增加时,射流轴线上的液流浓度变化较大;随着距轴心线距离的增加,液流浓度的变化逐渐趋于平缓,最后基本达到稳定。在静电场作用时,随着电场强度逐渐增大,液流的雾化分布与增加空气压力时液流的雾化分布具有基本相同的特点,电场强度对射流轴线上液流浓度的影响最为明显。利用实验结果拟合了液流浓度的准则关系式,得到了无量纲坐标内液流浓度的变化规律,为获得最佳雾化效果的设计提供了参考。     

Recent advances in physical understanding and quantitative prediction of impinging-jet dynamics and atomization

Impinging-jet injectors are widely used in liquid propulsion applications, since their simple configuration provides reliable and efficient atomization. The flowfield involves a series of complicated spatio-temporal evolutions. Much effort has been directed toward understanding the underlying physics and developing quantitative predictions of impinging-jet atomization. This paper summarizes the recent advances in this direction, including state-of-the-art theoretical, experimental, and numerical studies, along with representative results. Finally, concluding remarks address remaining challenges and highlight modeling capabilities of high-fidelity simulations.     

内混式气动喷嘴的雾化特性研究

本文应用 Malvern激光测雾仪研究了新型重油内混式气动喷嘴的雾化特性 ,即雾化气压力、供油压力与气液比等参数对燃料的雾化与喷雾锥角的影响 ,并与现普遍采用的“Y”型内混式气动喷嘴进行了比较。试验结果表明 ,新型气动喷嘴的性能优于“Y”型喷嘴     

高温高压下平板预膜喷嘴初次雾化试验

为了深入探究预膜喷嘴燃油初次雾化机理,试验研究了高温高压条件下不同工况参数对平板预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律.采用高速摄影可视化技术和马尔文粒度仪获取了预膜平板液膜厚度、液膜波动形态以及索泰尔平均直径(SMD)等雾化特性.利用图像后处理技术提取液膜厚度,试验结果表明:液膜厚度随进气压力、进气温度和进口韦伯数的增加而减...     

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。