针栓式喷嘴喷雾燃烧特性研究进展

针栓式喷嘴具有深度节流、结构简单、燃烧稳定等优点,主要用于变推力液体火箭发动机。本文首先介绍针栓式喷嘴的工作原理和发展历程,紧接着总结针栓式喷嘴的雾化特性和燃烧特性,最后展望针栓式喷嘴未来的研究方向。目前针栓式喷嘴的雾化特性研究较多,重点分析了工况参数和结构尺寸对破碎形态、喷雾锥角、SMD、液滴速度等的影响,针对针栓式喷嘴液膜破碎机理的研究相对较少;针栓式喷嘴燃烧特性研究主要集中于燃烧流场结构、燃烧性能和热防护等方面,对针栓式发动机固有燃烧稳定性机理以及动态燃烧特性的研究还较为欠缺。     

连续均匀热气流中液核/袋状破碎特性实验

为了获得热气流中单液滴液核/袋状破碎特性，采用高速摄像机对液滴变形、破碎过程进行了捕获.实验设计工况下所得结果表明:①液核/袋状破碎过程是液滴中液体流动与外界气动力共同作用下发生的，可以分为伞形破碎与勺形破碎；②液滴初始直径减小、气流温度增加，都可以降低液滴发生液核/袋状破碎所需最小气动力；③液滴破碎特征时间，随气动力增加呈负增长变化趋势，其值与变化梯度都随液滴初始直径增加而增大；④子液滴质量分数随气动力增加而增加，且随液滴初始直径增加而减小；⑤子液滴群质量分数的空间离散度都随气动力增加而增加.      

基于神经网络的预膜雾化模型

为了实现对预膜雾化质量的快速预估，基于神经网络建立了以结构参数和工况参数为输入,SMD值为输出的预膜雾化模型。使用试验数据训练和测试网络模型,结果显示,模型在较宽的工作范围内具有较高的精度和较好的泛化能力。SMD预测值随输入参数的变化规律符合试验结论,可作为给定工况参数下预膜式雾化装置的结构参数优化依据。神经网络能够较好地学习预膜雾化过程中的隐含规律。随着供油压差的增大,预膜器逐渐出现阻雾化效应,导致其雾化效果比单喷嘴和直混式雾化均差。     

旋流式气泡雾化喷嘴喷雾特性实验研究

与常规压力雾化、气动雾化相比，气泡雾化具有高效、经济和环保等优点。针对一种可变喷头旋流式气泡雾化喷嘴进行了实验研究，探讨了工作参数、喷嘴孔型、切割丝网目数（孔径）等因素对喷嘴流量、喷雾特性的影响规律。研究结果表明:不同孔型喷嘴的流量特性趋势基本一致；相同工作压力下，气液比不同会导致喷嘴流量的变化；安装切割丝网基本不影响喷嘴的流量特性趋势，但在相同工况下会造成喷嘴流量减小3%～7%，且丝网孔径越小，减小幅度越大；喷雾液滴粒径分布呈单峰形式，且随着工作压力或气液比的增大，喷雾液滴的中位粒径会有不同程度的减小；相同喷雾能耗下，异形（方形、椭圆形）喷孔更有助于提高喷雾性能；丝网有利于提高喷嘴雾化性能，但需综合考虑喷嘴孔型、工作压力等因素选择丝网孔径；此外，安装切割丝网会在一定程度上降低喷雾主流轴向速度。     

基于统计学特征的密集型气液雾化随机模型优化方法研究

在高气液动量比的空气雾化流场中，液滴和液丝从液核剥离的过程具有高自由度、分布密集的特点，传统理论模型难以对其准确预测。本文对结合大涡模拟方法的随机雾化模型进行优化，在初始雾化过程，提出使用液滴统计平均温度来表征液滴碰撞统计学特性的改进方法。液滴的统计平均温度分别采用气液相对动能模型的粒子追踪法和亚网格动能模型的粒子追踪法。研究表明，使用改进的气液雾化随机模型预测密集型空气雾化流场，大幅改善了传统雾化随机模型在初始雾化区域过预测的缺陷，平均动能的相对误差为15.5%，平均索特尔直径的相对误差为7.2%，与未改进前的模拟结果相比，误差降低了41.1%和15.0%。此外，本文还探究了喷雾张角模型对雾化流场预测结果的影响，分别将实验所得经验公式法、相界面气液动量平衡所得模拟法与亚网格动能模型的粒子追踪法结合。结果表明喷雾张角经验公式预测结果更为准确，在平均索特尔直径预测方面准确性提高了17.3%。     

流体喉部横流喷嘴的雾化特性

为了研究横流喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响，采用互击式直流喷嘴、逆向式直流喷嘴和水平式直流喷嘴进行了冷流试验.研究了不同试验工况下喷管出口喷雾场雾滴的索太尔平均直径与发动机的推力特性.研究结果表明:随着压比的增加，雾滴直径减小；相同的压比下，雾滴直径最小的喷射方案为喉扩喷射，雾化质量最好的喷嘴为互击式直流喷嘴；同时在喉扩喷射方案下，3种喷嘴的扼喉能力与推力比随着流量比的增加而提高.      

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。     

离心式喷嘴内部流动的LES/VOF 数值模拟

针对最大流量原理法在进行小流量、大粘性离心式雾化喷嘴设计中存在的不足,文章采用大涡模拟与流体体积法相结合的方法对离心式喷嘴内部流动过程进行了非定常三维数值模拟,得到了喷嘴整个工作过程的内部流场结构,并与单相流场进行了对比,分析了单相流场与两相流场结构存在的差异,以及存在差异的原因;同时对喷嘴内稳定雾化过程、压力场分布、速度场分布进行了分析,较好地反映了离心式喷嘴的内部流场特性。研究结果表明,喷雾过程具有非定常性、喷嘴低压及中空区与两相分布相关、分析推断适当增加喷口段长度能够减小出口液膜厚度等,为离心式喷嘴的设计与改进提供了一些有用的积累。     

节流水平对气液针栓喷注单元雾化特性的影响

为了分析气液针栓喷注单元雾化特性和雾化机制，采用背光成像技术和相位多普勒（PDA）系统进行试验研究，获得了雾化模式、体积流量分布、索泰尔平均直径（SMD）分布和速度场随节流水平的变化规律。结果表明：气液针栓喷注单元雾场形态为扇形雾场，雾化模式为剪切破碎。体积流量沿径向呈单峰形分布，随着节流水平降低，雾场外缘向中心收缩。SMD沿径向呈现递增规律，雾化最好的区域分布在雾场中心和两侧。SMD随节流水平增加而增大。当动量比不变时，节流水平对SMD的分布范围影响很小。针栓头部下方的中心回流区轴向尺寸随着节流水平降低而减小。     

基于气助雾化喷射的柴油喷雾特性数值模拟

为对气助雾化喷射柴油的过程进行数值分析，借助计算流体力学仿真工具Fluent，在不改变喷嘴结构的情况下，建立考虑油气预混腔中柴油喷射过程的三维流体计算模型，研究定容弹内气助雾化喷嘴的柴油/空气两相流喷射过程，并且重点考察喷气压力、环境背压以及燃油温度对气助雾化喷射柴油喷雾特性的影响规律。结果表明：喷气压力对喷雾贯穿距离影响较大，喷气压力由0.65 MPa增大至0.75 MPa后贯穿距离增加12.2%，但柴油索太尔平均直径（SMD）只减小了5.2%，说明在保证燃油SMD处于较好水平时，喷气压力和环境背压绝对压力比值（气相压比）为7.5有利于减少气量消耗；环境背压对喷雾贯穿距离与燃油SMD影响显著，气相压比为1.875时，喷嘴出口处流场基本不会产生超声速气流，气动力降低显著影响了燃油液滴破碎过程，使喷射时间在4 ms时的SMD达到40.7μm；燃油温度对喷雾贯穿距离影响不大，但对燃油SMD影响较大，燃油温度升高后燃油SMD显著减小，323 K对应的SMD比293 K时减小了12.3%，喷射时间在4 ms时的SMD达到14.9μm，燃油蒸发质量分数达到36.93%。