离心式喷嘴全流场数值模拟

将离心式喷嘴流场数值模拟由内流场扩展至外流场,将喷嘴出口的一段区域纳入计算域,探索用数值模拟方法研究全流场的流动特性并在此基础上对雾化特性进行分析。计算结果给出全流场的液膜形状以及气涡与液膜共存的流场结构,直接给出雾化锥角。采用VOF方法捕捉气液界面,湍流模型选择RNG双方程模型,对容积分数方程选择积分平均型TVD格式...     

螺旋离心式喷嘴雾化特性试验与仿真研究

为了研究螺旋离心式喷嘴液膜形态及锥角变化规律,运用高速摄影仪与VOF方法对该型喷嘴进行了不同喷注压降及不同背压下的雾化特性试验与数值仿真研究。试验与数值仿真结果分析表明:提高喷注压降能明显加剧液膜一次破碎,缩短破碎长度,而提高背压对二次破碎的影响更明显,更有助于改善雾化效果;随着喷注压降与背压的提高,液膜锥角均逐渐增大,但改变背压对液膜锥角的影响明显小于改变喷注压降;液膜锥角沿轴向增大且变化率逐渐减小,最后锥角基本保持定值。数值仿真所得到的液膜形态及锥角与试验结果吻合较好。     

同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性对比实验

对液体中心型同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性开展了实验研究。采用高速摄影捕捉瞬态喷雾过程,通过Matlab程序获取了相应雾化锥角并与单喷嘴进行对比;采用激光粒度仪测量了双喷嘴近场区域液雾索泰尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD),借此分析了单喷嘴与双喷嘴雾化锥角产生差异的机理。结果表明:随着气液比的增大,双喷嘴较单喷嘴的雾化锥角增加;双喷嘴间形成的复杂湍流区致使喷嘴间索泰尔平均直径小于喷嘴外侧;喷嘴间粒径较小,易受到湍流区的卷吸作用,致使两喷嘴内侧喷雾锥角增大。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明：当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500～3 000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3 000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

双组元离心式喷嘴外喷嘴流动数值模拟分析

离心式喷嘴在火箭发动机中广泛应用,以往的研究中对双组元离心式喷嘴的外喷嘴流动特性研究较少,通过数值模拟方法研究外喷嘴流动特性。针对典型双组元离心式喷嘴结构,运用CFX软件数值模拟研究其外喷嘴的流动特性,获得喷嘴的典型流场结构,将数值模拟结果与试验结果对比,验证数值模拟方法的有效性。研究内喷嘴对外喷嘴流动特性的影响,获得内喷嘴直径、缩进长度对外喷嘴流量系数、雾化锥角的影响规律。数值模拟结果可以更详细的给出喷嘴流场特点及喷嘴流动特性,运用数值模拟方法可以更准确的指导喷嘴设计过程。     

喉部跨音速条件下二次流互击喷嘴的雾化特性

为了研究二次流互击喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响,在跨音速条件下进行了流体喉部的冷流试验。研究了发动机喷管出口处羽流雾滴的累积体积分布、索太尔平均直径SMD和液雾分布指数N。通过试验获得了不同压比和喷射方案条件下的羽流粒度数据。研究结果表明,随着压比的增加,SMD减小,雾化的均匀性提高;雾化效果最好的喷射方案为喉扩喷射,同时扼喉能力与推力效率随着流量比的增加而提高。     

离心式喷嘴的内部流场

马歇尔空间飞行中心进行了一系列的实验和分析,对切向进入式中心支柱,即在液体火箭中使用的典型的离心式同轴喷嘴的内部流场作了大量的研究。支柱由聚丙烯物质制成,水用作模拟液体流入周围大气的背压中。测量了轴向压力分布,支柱中形成的气涡形状,液膜速度分布以及喷雾镶空间质量流分布。离心式喷嘴帽采用了两种形式进行试验,一为九孔,一为三槽配制。基本的支柱直径为7.620mm,长度为139.827mm,支柱出口直径的缩小或扩大也进行了测试。在任何情况下,气涡都延伸至支柱的整个长度上。液膜厚度表现出离心喷嘴进口设计的有效性,液膜簿则相应喷雾锥宽。液流的一元可交面积模型的建立可预测稳态流场,并且有助于更进一步了解支柱液流对燃烧稳定性的影响。     

离心式喷嘴理论的改进

本文系统地研究改进了离心式喷嘴的理论,推导出单室喷嘴和双室喷嘴的流量系数、有效截面系数、喷射锥形状、液滴平均直径以及喷射锥相撞的液束当量直径和撞击角等公式。本文的公式简单,计算方便,精度较高,适用于理想流体和粘性流体。     

反压对收口型离心喷嘴液膜厚度的影响

离心喷嘴液膜厚度是影响喷嘴喷注雾化效果的主要参数之一。对不同背压环境下收口型离心喷嘴内液膜厚度的影响进行了研究。通过搭建反压喷注系统,利用电导法对收口型离心喷嘴液膜厚度进行测量,采用陶瓷针规对获得的电压值标定从而得到液膜厚度值,所得液膜厚度不确定度为0.017 mm。通过高压舱为喷嘴提供喷注环境,测量不同喷注压降和反压下的液膜厚度,从而得出结论:随着喷注压降的升高,离心喷嘴液膜厚度呈变薄趋势;反压的增加会导致气体密度的增加,使离心喷嘴内空气涡与液膜界面摩擦作用加剧,导致了液体速度下降,在相同质量流率的情况下,促使液膜厚度变大。将实验所得常压环境下的液膜厚度值与经验公式估算值比较,验证了测量结果的准确性;通过在现有液膜厚度理论公式的基础上引入反压项,提出一个全新的液膜厚度经验公式。     

液液同轴离心式喷嘴喷雾过程研究进展

内部流动主要研究了流量系数、液膜厚度和气核半径,分析了内部流场,少量研究涉及内外喷嘴液膜互击、液膜表面波振幅和频率等方面。液液喷嘴外部液膜流动及喷雾特性的研究开展较多,观测了不同工况、结构参数下内外液膜流动形态,少数学者使用理论方法分析了液膜破碎机理。对喷雾特性的研究主要是获得了喷雾锥角、破碎长度、液膜振荡频率等的变化规律,并进一步研究了SMD、液滴速度、混合特性等的变化规律。     

液体火箭发动机喷注器雾化研究及进展

本文叙述了表征雾化性能的参数及其意义.分析了火箭发动机使用的直流式、撞击式、离心式及同轴式喷嘴的雾化机理,介绍了上述喷嘴雾化性能研究的最新结果、测试雾化性能的技术及研究雾化特性的实验方法,并指出了存在的问题。供有关人员参考.     

离心式喷嘴内部流动过程数值仿真分析

基于Coupled Level Set+VOF两相流计算方法,分别模拟了敞口型与收口型离心式喷嘴内部流动过程,可视化展示了喷嘴内部填充过程,分析了喷嘴内部的流动特性及其详细流场结构.捕捉到液膜表面波动和液膜表面内侧空气中的涡.结果表明:液膜表面波波谷内侧的空气中有涡存在,涡心连线处在轴向速度零速线上;喷嘴出口截面的轴向速度和切向速度具有明显的分区流动特征.液膜表面波的波谷-波峰和气体中的涡存在挤压与被挤压的相互作用,它们之间通过相界面变形传递这种气液间相互作用.另外,将外喷雾场的计算结果与实验结果对比,两者吻合较好,间接验证了内流场计算结果的准确性.     

缓变推力三组元液体火箭发动机喷嘴

本文的研究还不十分成熟。文中介绍了不同状态(液态和气态)两种燃料与一种氧化剂在雾化、燃烧时的混气形成过程方面的一些研究结果,介绍了用作液氧/煤油/液氢火箭发动机(在煤油供应平缓减少直至完全关闭情况下,富氧燃气或富燃燃气在燃烧室中补燃)混合装置的三组元喷嘴的研制开发情况。三组元喷嘴综合了俄罗斯液体火箭发动机(LRE)中广泛使用的两种喷嘴型式:一种是燃料从周边喷注到中心气流中的气液喷嘴,另一种是中心为液喷嘴的气液同轴喷嘴。它们可以各自单独工作和同时工作。由于离心式喷嘴节流强化了非稳态过程中推进剂组元的雾化和混合,使得在节流过程中液体燃料流量可大范围变化;由于阻尼了离心式喷嘴中节流燃料流量的波动,提高了燃烧稳定性。     

螺旋离心式喷嘴内部流动过程数值仿真研究

基于VOF模型对螺旋离心式喷嘴内部流动进行了三维全尺寸数值仿真研究,重点分析了液相在喷嘴内部的流动过程以及喷嘴内部各区域的速度、压力分布。结果表明:液相进入螺旋槽后,在螺旋槽与入口联接处形成气穴,气穴随着液相流入逐渐变小;喷嘴内部流场稳定后,在旋流中心区域形成稳定气核,喷嘴出口段液膜厚度沿轴向逐渐减小;在旋流区域液相最大切向速度位于贴近气液交界面附近区域,并且切向速度沿轴向方向逐渐减小;喷嘴各部分对总压损失的影响由大到小分别是收敛段、螺旋槽、等直段和旋流腔。     

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50～60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。     

3D打印与机械加工喷嘴的雾化特性对比研究

为清楚阐明3D打印技术是否可应用于加工火箭发动机的关键部件——喷嘴,及加工方式会对推进剂的流动雾化产生何种影响,对相同结构的机械加工喷嘴与3D打印喷嘴的喷雾特性进行了冷态试验对比研究。基于背景光成像技术采用高速相机获得瞬态的喷雾图像,以及激光散射技术采用马尔文测量液滴粒径尺寸分布。研究发现:机械加工喷嘴同轴度普遍较差,喷嘴重复性较低,喷雾存在偏斜、分散等喷雾空间分布不均问题;3D打印喷嘴表面粗糙度较高,使得喷嘴流量系数比设计值低3%左右;在喷嘴同轴度较好的前提下,加工方式对雾化锥角及雾化粒径影响较小。     

液氧煤油气液同轴直流离心式喷嘴的声学模拟实验研究

气液同轴直流离心式喷嘴对补燃发动机燃烧室高频燃烧稳定性有显著影响。为研究气液同轴直流离心式喷嘴的声学特性,在大气环境条件下进行了单喷嘴声学模拟实验。通过安装在模拟燃烧室外侧的扬声器激发声学振荡,利用声学探针测量燃烧室内的声压,获得了喷嘴长度、节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,确定了喷嘴长度与节流嘴直径的选取原则。     

液体火箭发动机喷嘴动力学研究进展

对液体火箭发动机喷嘴动力学研究的有关文献进行了综述,从喷嘴动力学理论分析和实验研究两方面入手,对直流式、离心式喷嘴、敞口型离心式喷嘴和气液同轴喷嘴动力学的国内外研究进展进行了全面总结。从目前的研究结果来看,喷嘴动力学在解决燃烧不稳定方面具有重要意义,在未来液体火箭发动机研制中将起到更大作用。