风洞引射器试验研究

本文简要地叙述了ＣＡＲＤＣ近期结合新型跨声速风洞对引射器进行试验研究的情况。研究表明：当采用中压气源（２５×１０５Ｐａ）为动力源时，设计合理的多喷嘴引射器在获得跨声速风洞（Ｍ＝０．４５～１．２）需要的增压比前提下，消耗的中压气源空气流量较目前国内常用的二元引射器成倍下降，引射后混合气体流量与消耗的气源气体流量之比可达３～６；气流噪声随喷嘴个数增加而下降；大型风洞的多喷嘴引射器喷嘴个数≥１６是有利的。     

引射混合器内流场的数值分析

计算了以波瓣为主喷管的三维引射掺混流场；分析了包括复杂型面和引射二次流在内的边界条件处理；再现了流向涡的产生，计算结果与实验结果作了对比分析，吻合程度较好。     

同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度评估

为评估同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度,开展了两种不同缩进长度喷嘴的稳定性试验研究。试验中燃料流量不变,逐步增加氧化剂流量,两种喷嘴在相同的混合比（2.28）发生振荡燃烧,均对应燃烧器第二阶纵向声模态频率。喷嘴A（缩进长度8.5mm）和喷嘴B（缩进长度12.5mm）最高振荡幅值对应的混合比分别为2.28和2.81。基于二阶非线性耦合振子模型,利用喷嘴稳定燃烧阶段的压力数据,分别从频域和时域识别系统衰减系数,发现两种方法得到的衰减系数在数量上一致,验证了两种分析方法的等价性。喷嘴A在不稳定发生前衰减系数突然增大,喷嘴B衰减系数呈递减趋势,不稳定发生时降到0.03以下,说明衰减系数可以评估喷嘴的稳定性裕度,但需要考虑噪声相干共振等非线性现象的影响。     

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。     

溅板型层板喷注单元流量及雾化特性实验研究

为了对液体火箭发动机新型喷注器进行研究，设计了一种结构、多组不同设计尺寸的溅板型层板喷注单元，以水为介质，利用Malvern激光粒度分析仪对溅板型层板喷注单元雾化特性进行了实验研究。分析了该种结构的不同特征长度、特征角度对喷注单元流量系数及雾化特性的影响，为该型溅板型层板喷注单元结构设计提供依据。     

超声波喷嘴试验研究

对超声波喷嘴的工作原理及工作特性进行了理论分析和试验研究,利用计算机图象处理技术重点研究了压电器件材料物性参数d33、激励电压A、喷射压力p、喷孔直径d0、喷嘴腔纵向尺寸δ及激励频率f对射流液滴形成的影响。研究表明：较低的射流压力和较小的喷孔直径以及较大的d33压电器件都有利于液滴的形成和工作稳定性,而激励频率f和喷嘴腔纵向距离δ都存在着最佳值。这些结论可以指导喷印机超声波喷嘴的设计。     

动量比对两股互击式喷嘴雾化特征的影响

基于CLSVOF（coupled level-set and volume of fluid）方法对两股互击式喷嘴雾化过程进行了数值模拟,仿真结果与实验结果进行对比,并详细考察了动量比对液膜特性的影响.结果表明:①CLSVOF方法能对射流撞击形成的液膜形态进行有效捕捉,计算获得的液膜形态与实验结果一致.②两股不同孔径的射流在撞击点撞击过程中,由于大孔径一侧的部分射流未参与撞击,而中心位置的液体在撞击之后速度迅速下降,周围的液体则保持撞击前的速度,使得射流撞击之后形成弧形状液膜.③在不同动量比条件下,射流撞击后轴线位置的合成角主要取决于参与撞击射流的动量比,数值计算结果与理论计算结果吻合较好,误差均小于10%.      

可变面积涵道引射器对变循环发动机性能影响

分析了变循环发动机前、后涵道引射器的几何调节方式,建立了变循环发动机稳态及过渡态数学模型,并考虑了前涵道引射器和模态选择阀门由于面积突变引起的局部总压损失,模拟了变循环发动机单外涵模式、双外涵模式及模态转换过渡态过程中,前、后涵道引射器面积对发动机性能和稳定性的影响,并与NASA试验数据进行了对比.结果表明：单外涵模式,放大前涵道引射器内涵进口面积会减小变循环发动机的回流裕度,但可增大风扇和核心驱动风扇级的喘振裕度;在由单外涵模式过渡至双外涵模式的模态转换后期,减小后涵道引射器外涵进口面积可减缓风扇压比的下降;建议前涵道引射器选择总面积保持不变而内涵进口面积改变,后涵道引射器选择内涵进口面积保持不变而外涵进口面积改变的调节方式.     

直射式喷嘴流动特性的数值和试验研究

加力燃烧室喷油杆多采用直射式喷嘴,为进一步分析影响喷油杆通流能力的因素以及喷嘴内部燃油空化的问题,进行了数值和试验研究。选取了Schnerr-Sauer、Singhal 及Zwart-Gerber-Belamri三种空化模型进行比较后,采用Schnerr-Sauer空化模型进行计算,对喷嘴的流量系数、空化区域以及空化源进行了数值模拟,对2种典型直射式喷嘴进行了试验分析。结果表明：喷孔长径比、开孔位置对流量系数影响较大,喷孔前加过渡段能够起到一定的稳流、消除空化的作用,在喷孔大锐角入口处形成明显的空化源,空化体积分数随压力、壁厚和入口段变化,进一步计算发现当进口倒角为30o～45o或者圆角,倒角比W/D=0.2左右时能有效抑制燃油空化。     

针栓式喷注器液膜下漏率预估模型

为了对针栓式喷注器液膜下漏率进行准确预测,基于针栓式喷注单元喷雾场结构分析,结合理论推导、数值仿真及试验研究3种方法建立了液膜液束各自变形的相对变形量模型;在考虑液膜液束变形的基础上,引入相互影响系数表征多喷注单元间相互影响,建立了实际阻塞率和实际下漏率模型。通过数值仿真及试验结果的多参数充分验证,结果表明:理论预估模型与数值仿真及试验结果一致性较好。液膜液束相互作用下,液膜绕液束流动和液束根部横截面前后缘位置移动不同步导致的展向变宽分别是液膜和液束发生变形的主因,且有效动量比越大,液膜相对变形越大,液束相对变形越小。对于一定阻塞率的几何结构,结果表明:下漏率随着有效动量比的增大而增大,增大趋势呈先快后缓,且实际下漏率均小于几何下漏率,这是由膜束变形导致的实际阻塞率比几何阻塞率更大造成的。另外,发现液膜下漏率仅与表征流场结构(有效动量比)及几何结构的无量纲参数(液膜厚度与液束直径之比和阻塞率)有关,与喷射速度的绝对值无关,并给出了模型中的常系数供工程设计预估使用,对从设计初期就考虑针栓头的热防护问题具有重要的指导意义。