航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性,通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验,并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质,观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化,发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响,最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质,通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度,结果表明在背压大于1.75MPa的工况下,该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构,此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力,两者都起着促进雾化的作用。     

双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性影响

为了研究双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性的影响,通过数值计算和试验分别研究了4种文氏管长度的双级轴向涡流器方案的下游流场和匹配喷嘴的雾化特性。结果表明:随着文氏管无量纲长度由0.23增加至0.49,一级涡流器流量系数由0.98降至0.7,二级涡流器的流量系数保持0.75不变,涡流器出口旋流数由0.08增至0.48,旋流扩张角由闭合状态增至约90°,涡流器下游流场由反转回流区变为传统回流区。文氏管长度最短的方案的索太尔平均直径(SMD)和喷雾锥角受涡流器压降的影响较小,而其他方案的SMD和喷雾锥角受涡流器压降影响较大,且在相同涡流器压降和油压下,SMD和喷雾锥角随着文氏管长度增加而增大。      

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

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.      

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。     

大涵道比涡扇发动机分开式排气系统设计参数影响研究

为了分析外涵可用压比、内外涵出口面积以及核心外罩长度四个参数对大涵道比涡扇发动机分开式排气系统气动性能的影响,以该排气系统为原型采用数值模拟的方法对其性能进行研究。结果表明：存在一个最佳外涵可用压比使推力系数最大,但此时外涵处于欠膨胀状态,其设计规律与单喷管设计不同;存在一个使得推力系数最大的最佳喷管出口面积,此时喷管处于微弱的过膨胀状态,这主要与核心外罩／尾锥上的压强分布有关;核心外罩长度对排气系统性能存在一定程度的影响。     

中心分级燃烧室慢车工况油雾场特性

为获得中心分级燃烧室慢车工况下主副级油雾场特性，采用粒子图像测速仪（PIV）对单管燃烧室不同头部方案和不同喷嘴燃油比例的油雾场进行试验测量，开发了油雾场图像后处理软件，对油雾场图像进行后处理，获得了中心分级燃烧室油雾场空间分布。慢车工况下油雾场试验结果表明：大粒径油珠在燃烧室富油头部区域呈锥形分布，同时索太尔平均直径（SMD）沿径向呈V型分布，即中间小、两侧大。燃烧室头部折流板扩张角的减小，使得燃烧室富油头部区域油珠数目集中、同时平均SMD较大。保持来流条件和油气比一定时，改变燃油比例对燃烧室雾化效果影响不大。油雾场中油珠数目最多的粒径是25μm，而体积占比最大的粒径范围是30～50μm。     

喷嘴内湍流运动对火焰浮起长度影响的数值模拟

为考虑喷嘴内部湍流运动对燃油雾化和火焰浮起长度的影响,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中,并对二次破碎模型进行了修正。建立了完整的燃油雾化和燃烧的数学模型。通过与实验数据对比来验证燃油雾化模型的准确性,并讨论了喷嘴内湍流运动对燃油雾化过程的影响。结果表明,湍流运动会加快液滴破碎和蒸发的速率,从而减小燃油蒸气贯穿距。火焰浮起长度的计算采用本文建立的燃油雾化模型,成功计算了火焰浮起长度随氧气体积分数、气体密度、气体温度和入射压力变化的规律。同时发现在不同气体密度和氧气体积分数的工况下,喷嘴内部湍流运动对火焰浮起长度的影响基本保持不变,分别为9%和13%;入射压力和气体温度的升高会导致喷嘴内部湍流对火焰浮起长度的影响逐渐变大。      

Ground experimental investigations into an ejected spray cooling system for space closed-loop application

Spray cooling has proved its superior heat transfer performance in removing high heat flux for ground applications.However,the dissipation of vapor–liquid mixture from the heat surface and the closed-loop circulation of the coolant are two challenges in reduced or zero gravity space environments.In this paper,an ejected spray cooling system for space closed-loop application was proposed and the negative pressure in the ejected condenser chamber was applied to sucking the two-phase mixture from the spray chamber.Its ground experimental setup was built and experimental investigations on the smooth circle heat surface with a diameter of 5 mm were conducted with distilled water as the coolant spraying from a nozzle of 0.51 mm orifice diameter at the inlet temperatures of 69.2 °C and 78.2 °C under the conditions of heat flux ranging from 69.76 W/cm~2 to 311.45 W/cm~2,volume flow through the spray nozzle varying from 11.22 L/h to 15.76 L/h.Work performance of the spray nozzle and heat transfer performance of the spray cooling system were analyzed;results show that this ejected spray cooling system has a good heat transfer performance and provides valid foundation for space closed-loop application in the near future.     

基于滑动弧的航空发动机燃烧室头部喷雾特性

发明了航空发动机燃烧室滑动弧等离子体燃油裂解头部,并开展了燃油喷雾性能实验,实验研究了不同放电电压下滑动弧等离子体对燃油喷雾性能的影响规律。结果表明,实施滑动弧等离子体燃油裂解之后,初次雾化的燃油在高温电子的碰撞下高碳链的燃油分子被打断成低碳链的小分子,燃油的黏性力降低,雾化性能得到提升。随着放电电压的升高,燃油喷雾的雾化锥角增大,SMD平均值减小,不均匀系数下降,燃油喷雾的均匀性得到明显的改善。当入口空气流量为20 m³/h,余气系数为0.6时,未施加等离子体的燃油喷雾的雾化锥角为43°,SMD平均值为93.545 6 μm,不均匀系数为0.304,当放电电压达到200 V时,燃油喷雾的雾化锥角增大到75°,SMD平均值减小为89.690 6 μm,不均匀系数下降到0.233。     

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。     

切向孔直径精度对离心喷嘴性能影响

为解决离心喷嘴流量系数理论计算与试验偏差普遍较大的问题,采用Fluent两相流模型计算了不同切向孔直径下的喷雾锥角、流量系数等性能参数,分析发现切向孔直径加工精度对离心喷嘴流量系数有较显著的影响。通过塞规测量了4个喷嘴的切向孔直径,利用切向孔直径测量平均值建立几何模型,计算了较大范围不同压降下的喷嘴性能,并与试验结果进行了对比。模型计算结果和试验数据吻合较好,喷雾锥角与试验偏差小于1°,流量系数偏差小于4.2%。      

幂律流体撞击射流破碎机理的实验

通过自行研制的撞击射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同卡波姆质量分数剪切变稀的卡波姆凝胶非牛顿幂律流体在不同射流条件下撞击液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度进行实验与分析.结果表明:不同流变特性的幂律流体出现的破碎模式不同,黏度越高,破碎模式越复杂;4种卡波姆凝胶在韦伯数为8000左右时,达到完全发展模式,并在韦伯数为8000左右时表现出相似的破碎特性;随着韦伯数的增大,喷雾锥角逐渐增大并趋于稳定,稳定值小于撞击角度,当卡波姆质量分数增大时,最大喷雾锥角逐渐减小,最终收敛于60°;随着韦伯数的增大,4种卡波姆凝胶的破碎长度先小幅变大然后减小,理论结果与实验结果整体趋势相似.      

往复式汽油直喷发动机燃油喷雾特性研究

通过试验研究了高压燃油喷射系统和涡旋喷油器的喷雾特性,在不同喷射压力、背压压力和喷油持续期条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的雾态燃油进行了喷雾贯穿距离、喷雾锥角、喷雾远端燃油发展速度和液滴特性等参数的测量.试验结果表明在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;然而在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.低背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的远端,而在高背压条件下,涡旋形态出现在喷雾的中部.      

直射式气动雾化喷嘴对燃烧室性能的影响

为了深入分析燃油喷嘴对燃气轮机燃烧室性能的影响，针对燃气轮机燃烧室中的直射式气动雾化喷嘴开展了数值模 拟，获得了气流流量、燃油流量和气液比对雾化性能的影响规律，喷嘴的雾化性能参数包括雾化粒径和雾化锥角。结果表明：气液 比和气流流量对该型喷嘴的雾化性能有显著影响，燃油流量对雾化性能的影响较小；气液两相间相对速度是影响该型喷嘴雾化性 能的决定因素，相对速度增大有利于减小雾化粒径，并增大雾化锥角；气流流量和气液比的增大均有利于雾化粒径的减小，燃油流 量的增加将使雾化粒径增大；增大气流流量、气液比和减小燃油流量均可使雾化锥角增大；该型喷嘴的雾化锥角变化范围为 30.12°～41.24°，雾化粒径变化范围为131.46～ 186.52 μm。喷嘴可实现在较小的雾化锥角变化范围内获得较宽的雾化粒径变化， 以此匹配燃气轮机燃烧室不同工作状态，具有较高的实用价值。     

旋流杯结构对燃油雾化粒径的影响

为深入研究进气参数、旋流杯结构以及中心喷嘴与旋流杯文氏管的轴向配合对航空煤油雾化粒径的影响,采用LSA（laser size analyzer）-Ⅲ激光粒度分析仪在常温常压下对同向双级轴向旋流杯出口下游35 mm处燃油索太尔平均直径（SMD）进行测量。结果显示:随着旋流杯头部压降的增大,燃油SMD不断减小,但减小趋势不断变缓;叶片角在35°附近时,燃油粒径较小;内外两级旋流强度需相互匹配,两者共同影响燃油预膜与破碎;文氏管喉道直径影响了内级旋流强度及成膜质量,喉道直径与文氏管长度比在1.04~1.13内,燃油SMD较小;套筒扩张段限制喷雾运动,其值过大或过小都会导致燃油SMD增大;燃油喷嘴与文氏管装配位置影响液膜破碎质量。      

流路参数对收扩喷管内流特性影响的数值研究

用经冷态缩比模型内流特性试验验证的三维有黏定常程序,对某轴对称收扩喷管进行了收敛调节片长度、喉道圆弧半径、扩张调节片长度和喷管扩张面积比对内流特性影响规律的计算研究.研究结果表明:收敛调节片长度和喉道圆弧半径主要是对收敛半角较大工况的流量系数有一定的影响,可以在确保收敛半角小于45°前提下适当减小收敛调节片长度;扩张调节片长度和喷管扩张面积比主要是对推力系数影响较大,扩张调节片长度和喷管扩张面积比的选择应在确保扩张半角小于16°前提下力争气流完全膨胀.      

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。      

加气喷嘴气体注入形式对雾化性能的影响

本文用马尔文粒度分析仪测量喷雾的平均液滴尺寸及液滴尺寸分布,研究了气体注入形式对喷雾特性的影响.喷嘴压降为34.5～690kPa,喷嘴气液比为0.002～0.023.试验中使用了两种气体注入形式:一种是直径6.3mm的单孔,另一种是20个直径0.5mm的小孔.它们与三种不同孔径的喷孔配合使用.其孔径分别为0.8,1.6和2.4mm.研究结果表明,雾化质量主要取决于喷嘴压降和气液比,而对气体注入形式和喷孔直径不敏感.测量液体流量看出,此类喷嘴的流量系数很小.雾化液体中含有固体颗粒或其它易堵塞小孔或喷嘴通道的有害物时,使用这种喷嘴将会显示出它的优点.     

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。