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.      

离心喷嘴喷口结构参数对雾化性能的影响分析

为了提高航空发动机离心喷嘴的雾化性能,优化喷嘴喷口结构参数,基于两相界面追踪流体体积（volume of fluid,简称VOF）方法对离心喷嘴进行了仿真分析,并通过实验验证了VOF方法的可靠性。采用正交试验方法完成以喷嘴出口直径、出口直管段长度、扩张角、扩张段长度为优化参数,以雾化锥角、液膜厚度和流量系数作为雾化性能指标的试验设计。通过极差方差分析讨论各个参数对雾化性能指标影响的显著性并利用回归分析得到规律曲线,获得最佳参数组合。结果表明：4个结构参数中扩张角是对喷嘴雾化性能影响最大的因素;扩张角和喷口直径的增大可以明显地增大雾化锥角,减小液膜厚度和流量系数;扩张段长度的增加会使雾化锥角减小但会使液膜厚度和流量系数也减小;直管段长度的变化对各指标的影响不大;当扩张角θ为60°、出口直径D为0.6mm、出口直管段长度L1为0.3mm、扩张段长度L2为0.4mm时,雾化性能最佳。     

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。     

离心喷嘴雾化特性的理论计算

本文根据动量守恒原理,分析了离心喷嘴的结构参数与喷嘴雾化特性(流量系数、喷雾锥角等)之间的关系,建立了相应的无粘理论计算模型.理论计算的结果与有关的实验数据相比较,符合程度较好.本文建立的理论计算模型对离心喷嘴雾化特性的研究,具有一定的参考价值.     

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。     

某型航空发动机燃油喷嘴试验及火焰筒头部的数值模拟

对某型航空发动机燃油喷嘴的工作特性和雾化质量进行了试验研究,测定了在不同压力下喷嘴的流量特性、喷雾锥角、雾化粒度(SMD)及尺寸分布;应用F luent软件,对装有该喷嘴的燃烧室火焰筒进行了数值模拟。     

超声波/离心组合喷嘴性能研究

采用试验研究方法初步探索了一种超声波/离心组合喷嘴应用于航空发动机燃烧室的可行性.对该组合喷嘴开展冷态试验,得到了其流量特性和雾化特性(包括油雾索太尔平均直径(SMD)和雾化锥角),设计加工了横截面尺寸为117mm×60mm的单头部矩形燃烧室模型,并在不同进口条件下开展了相关的燃烧性能试验.结果表明:在冷态情况下,喷嘴流量特性符合传统离心喷嘴的流量特性,流量与供油压差呈二次函数关系;喷嘴雾化细度较好,无气状态下,油雾SMD在38~45μm之间变化,在满足产生超声波要求的气压条件范围内油雾SMD在8~12μm之间变化;喷雾锥角主要受供气条件影响,供油压力对喷雾锥角基本无影响;装有该喷嘴的模型燃烧室在所有试验工况下均可以稳定燃烧,燃烧效率最高达到99%.      

旋流器型式对空气雾化喷嘴雾化特性影响规律

采用试验与数值计算相结合方法研究了不同旋流器型式对双旋流式空气雾化喷嘴喷雾特性的影响规律.采用粒子图像测速(PIV)测量了不同空气雾化喷嘴下游流场结构,并且采用高速摄影仪和激光粒度分析仪,对不同空气流量和燃油流量下的双级旋流空气雾化喷嘴的油雾场形态、索太尔平均直径(SMD)、Rosin-Rammler分布进行试验研究;...     

某型先进发动机燃油喷嘴雾化特性的试验研究及火焰筒头部数值模拟

使用相位多普勒粒子分析仪和激光多普勒粒子测速仪系统(PDPA/LDV)等设备测量了某型航空发动机喷嘴的雾化特性,主要包括:喷嘴流量特性,雾化粒度(SMD)和喷雾锥角。应用Fluent软件,对装用该喷嘴的燃烧室火焰筒进行了数值模拟。试验和计算结果得出了一些有价值的结论,对该发动机的燃油喷嘴和火焰筒头部温度场、速度场有深入了解,对其改进提供了重要依据。     

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.      

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布。结果发现：增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布。该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据。     

Computation of design parameters influence on air injector fuel atomization

A technique for calculating the two-phase flows at liquid fuel atomization by the air injector is developed. In the course of numerical experiments, the flow parameter distributions over the cross section and volume for different nozzle design options are obtained. The influence of the twist angle of the gas flow on the liquid fuel atomization is analyzed.     

某型涡扇发动机在线流道清洗喷射参数选择与试验

为了解决某型飞机进气道距离长、流道形状不规则造成从进气道唇口喷射清洗发动机时喷射参数难以确定的问题,利用linearized instability sheet atomization（LISA）模型和Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型,以液滴颗粒大小和运动轨迹为优化目的,以液滴在发动机气流进口端面的覆盖面和穿透能力为效果目标进行数值仿真,优化选取喷嘴的设计参数,减轻了试车工作量并降低了试验费用。通过飞机进气道与发动机联合整机在线清洗台架验证试验测试评估了预先选择喷射参数的喷嘴的喷射性能。台架试车结果表明:发动机采用冷运转状态清洗,喷射参数确定为雾化角为18°,喷嘴在喷射架上的安装角度为上偏角为7°30′,清洗车的供液压力为1MPa。针对发动机的冷起动或者慢车状态,选取的喷嘴类型、喷射压力、喷射角度和安装角度等优化的喷射参数是合理的,不仅能使清洗液滴覆盖整个发动机的进口区域并穿透整个叶栅,而且不会引起附加的风扇压气机叶片侵蚀。      

燃油喷雾对某小发环形回流燃烧室燃烧特性影响

为研究燃油喷雾特性对某小发环形回流燃烧室主燃区燃烧特性的影响,采用数值模拟的方法,对环涡形燃烧室内燃油喷嘴伸入火焰筒的深度和喷雾偏转角度对燃烧室内的三维两相喷雾、燃烧特性进行了研究。结果表明：喷嘴位置和角度的变化,会导致燃油雾化性能的变化,从而引起燃烧特性的变化;随着喷嘴伸入火焰筒的深度变短,会导致高温区变窄且靠近火焰筒外壁,深度变长则会导致主燃区高温区减小且燃烧不充分;喷雾偏转角度顺时针旋转可使燃油在主燃区燃烧得更加充分。     

空气助力改善液滴雾化质量的研究

对一种新型的内混式空气雾化喷嘴进行了测量和研究,其目的是探索新型内混式喷嘴在添加空气助力下增强混合改善雾化质量的应用性能。试验采用4组不同几何结构参数的内混式空气雾化扇形喷嘴,通过马尔文激光粒度分析仪测量不同气压、不同水流量等工况参数下雾化液滴索特平均直径（SMD）D32和喷雾锥角等雾化性能参数,并对试验结果作对比分析。结果表明,水流量为定值时,SMD随着气压的增加明显减小,在0．8MPa到达极小值后趋于稳定,喷雾锥角随气压的增大先变大后减小;气压为定值时,SMD随着水流量的减小逐渐减小,喷雾锥角随着水流量的增加逐渐增大;比较不同几何结构参数,#1-2内混式空气雾化扇形喷嘴在4组喷嘴中具有最好的雾化效果,当气压为0．8MPa,水流量为20L／h时,SMD极小值为16μm。     

离心式喷嘴内流场特性的数值模拟

基于单流体模型及气液两相混合分数的概念，建立了离心式喷嘴内流场的数学模型，并进行了数值计算，计算结果给出了离心式喷嘴内部液膜与气涡共存的流场结构及气液交界面的几何形状，计算得到的壁面压力分布、出口处液膜内轴向速度分布以及雾角大小都与实验结果吻合的很好，与常用的跟踪气液界面的ALE方法相比，本文建立的数值模拟方法具有简单，计算量小和易于实现的特点。     

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

固体发动机喷管内两相流的有限元数值模拟

本文给出了固体发动机喷管内两相流的数值模似。从非守恒型两相流甚本方程出发,采用加权积分技术,导出了离散点的流动物理量的有限元数值计算公式。数值模拟分别与JPL喷管的两相流壁面静压分布测量结果以及与差分法计算结果作了比较,比较结果表明:二者是吻合的。本文还以中型喷管为例,计算了粒子的轨迹,粒子的速度滞后和燃气的温度滞后,计算结果表明;入口粒子冲击角对粒子轨迹有明显的影响。     

加力用扇形喷嘴雾化特性试验

根据加力燃烧室内锥凹腔点火与联焰要求,设计了扇形喷嘴并开展相应的雾化试验,研究了供油压差、扇形角度及扇形出口高度等参数对流量特性和雾化特性的影响以及加力环境下横向气流的温度、速度和供油压差对索太尔平均直径(SMD)及穿透深度的影响。采用称质量法测量流量系数,利用马尔文粒度仪和高速摄影仪对下游SMD、雾化角度及穿透深度进行测量。结果表明:①供油压差增大,流量系数先减少,后稳定;②供油压差一定,扇形出口角度越大,流量系数和雾化角度也越大;③扇形出口高度增加,雾化效果变好;④出口位置对雾化特性影响不大;⑤供油压差越大,穿透深度越大,SMD减小;⑥横向气流速度越大、温度越高,穿透深度越浅,油雾场越靠近下游;⑦横向气流温度越高, SMD越小。     

超燃冲压发动机尾喷管进口气流角畸变研究

为探索气流角畸变对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,本文开展了喷管在单一气流角畸变和耦合畸变进口条件下的数值模拟研究。首先简要介绍采用的数值模拟方法,并根据实验结果校核数值方法的有效性。同时为得到准确的数值结果,进行了网格无关性研究。然后,通过数值模拟获取超燃冲压发动机燃烧室出口气流参数,用于研究气流角畸变对喷管性能的影响并讨论了其影响规律。在此基础上,进一步研究了气流角畸变与马赫数畸变相互耦合对喷管气动性能的影响。结果表明,气流角畸变对推力影响很小：推力系数变化仅为0.37%;但对升力和俯仰力矩影响显著,相应增幅分别可达51.84%和12.11%。此外发现气流角畸变和马赫数畸变对喷管气动性能的影响是相互独立的。因此在超燃冲压发动机喷管的相关研究过程中,有必要对气流角畸变加以考虑。另外还需要关注由于气流角畸变导致的喷管升力和俯仰力矩变化对飞行器整体稳定性的影响。