撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征

采用激光全息和图像处理技术,研究了撞击式喷嘴撞击角和射流速度对凝胶推进剂雾化性能的影响,撞击角范围为40°~90°,射流速度范围为15~55 m/s。研究了气/液撞击对凝胶推进剂雾化性能的影响,结果表明:增大撞击角和射流速度均有助于凝胶推进剂的雾化;减小射流直径有利于凝胶推进剂雾化;凝胶推进剂的极限表观粘度是影响其雾化的主要因素。分析了撞击式喷嘴凝胶推进剂喷雾场的特征,认为在本文研究的范围内,可以将凝胶推进剂喷雾场依次分为规则扇型的液丝区域、紊乱网状的液丝区域和液丝与液滴共存区。     

横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象

采用高速摄像仪对横向气流场中的圆形液体射流的圆柱破碎过程(低Weber数)进行了实验研究.实验采用直射式喷嘴,喷孔直径为0.3mm和0.5mm,喷嘴长径比均为40.实验工质采用水.Weber数为1.7~7,液/气动量通量比为3.4~83.实验观察了表面波现象及射流破碎形成的液滴的尺寸及其速度.观测发现,表面波波长随着气流Weber数的对数的增加而线性减小.破碎后形成的液滴直径 d_p/d₀与Weber数的对数成正比.液滴的初始x方向速度与y方向速度大小与液滴直径无关.在实验范围内,液滴y方向速度均不随Weber数和液/气动量通量比的变化,约为初始射流速度的0.94倍;而液滴x方向速度约为0.085倍的气流速度.对表面波和破碎后形成的液滴尺寸及速度的研究有助于构建更精确的初始雾化模型.      

结构参数对双组元推力器喷注器雾化性能影响规律的数值模拟研究

采用气液两相流大涡模拟方法,结合多相流体积分数方法,对双组元推力器喷注器喷嘴内流及雾化过程进行了模拟,研究了出口直径及喷嘴出口长度等结构参数对雾化特性的影响规律。研究结果表明:对于外路喷注器,增大喷嘴外径使射流破碎长度及SMD减小,有利于射流的雾化,同时喷雾具有更好的周向分散特性;减小喷嘴出口长度使连续液丝明显缩短,喷雾锥角增大,喷雾雾化得到增强。对于内路喷注器,出口直径越小则连续液丝越长,喷雾SMD值越大,雾化程度越弱;减小喷嘴的出口长度使连续液丝长度缩短,SMD减小,射流雾化得到增强。     

环形燃烧室内气液同轴雾化数值模拟研究

为了探究连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内煤油射流在同轴气流作用下的雾化过程,采用开源软件OpenFOAM中基于欧拉-拉格朗日方法的sprayFoam求解器对其进行数值模拟,开展了喷射角度、相邻喷嘴夹角、背压和气液速度比对雾化特性影响的研究。研究表明：sprayFoam求解器可以较好的模拟环形燃烧室内液态燃料的喷射雾化特性;随着喷射角度和背压增大,液滴雾化后的粒径逐渐减小;相邻喷嘴角度为15°时燃料雾化后的液滴分布最佳,此时液滴索特尔平均直径为85.1μm;不同气液速度比的射流末端液滴速度最终趋于一致,均约为160m/s。     

小尺度空间内对撞射流雾化场特性实验研究

为了研究小推力液体火箭发动机燃烧室的喷雾燃烧特性,设计了小尺度模拟燃烧室和对撞射流喷嘴,利用多普勒相位粒子动态分析仪(PDA),观测了对撞射流在小尺度空间内的喷雾,重点观测了喷雾压力对于雾化特性参数的影响。实验结果表明:测量截面与喷嘴的距离越远,液滴平均直径越大,轴向速度越小;测量点到中心轴的距离越远,液滴轴向速度越小,径向速度波动越大;喷雾压力越大,液滴平均直径越小,轴向速度越大。由于受到壁面的影响,径向速度的周向分布在不同的喷雾压力下和测量点位置上的差异不明显;模拟燃烧室内液滴平均直径大于大气环境下的液滴平均直径,两者差值随着喷雾向下游发展而增大;模拟燃烧室对于液滴轴向速度影响较小,而对于液滴径向速度影响较明显。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

横流中空心锥形喷雾的扩散特性与影响因素

为了更好地理解和认识空心锥形喷雾射流与横向气流的掺混过程,基于可视化实验测量,针对空心锥形喷雾的初始雾化状态、喷射角度和雾化锥角以及横流速度等因素对空心锥形喷雾射流在横流中的扩散特性进行了系统分析。研究结果表明,随着横流速度的提高,流场中对称反旋涡对（CVP）结构变小,但其稳定性及产生的卷吸气流则是先增强而后减小;提高喷雾初始液滴的动量和数流率,均可以增大射流剪切层的贯穿深度和射流尾迹的伸展高度,同时使流场中CVP的涡量强度增大。基于实验测量结果,建立了空心锥形喷雾垂直入射横流条件下掺混流场液滴群CVP结构特征尺寸和剪切层轨迹的预测关联式。另外针对喷嘴雾化锥角和喷射角度的分析表明,当喷雾初始雾化状态相近时,随着雾化锥角的减小,流场中CVP的水平尺度减小但竖直方向尺度增大且结构更为稳定,同时喷雾液滴的贯穿深度增大;相比喷雾垂直于横流入射,当喷嘴以一定角度逆向横流入射时,CVP结构稳定性减弱,流场剪切层涡结构变大且剪切层区域液滴富集现象减弱,射流尾迹紊乱程度增加,反之,则流场剪切层涡拟序结构变小,射流尾迹现象减弱,CVP结构变小。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾

采用数值和实验方法对一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾特性进行研究.采用粒子动态分析仪(PDA)实验研究了不同气液比下强剪切空气雾化喷嘴的速度场和喷雾场,并对该喷嘴的流场进行了数值计算,所得的计算结果与实验数据比较吻合.研究结果表明:强剪切空气雾化喷嘴的设计合理,两股旋流空气在喷嘴内部完成强烈的动量交换,并对燃油进行了强剪切.强剪切空气雾化喷嘴在宽调节比范围内能够完成良好的雾化,当气液比变化10倍,液雾的索太尔平均直径分布均处于20~60μm之间.随着气液比的增大,线平均索太尔平均直径逐渐减小,推导了适用于该喷嘴的索太尔平均直径计算模型,可为强剪切空气雾化喷嘴设计提供参考.      

移动粒子半隐式方法GPU加速的双股射流撞击雾化模拟

为实现双股射流撞击雾化过程的高效数值求解并探究射流速度和撞击角度对雾化特性的影响规律,实现了移动粒子半隐式方法（MPS）GPU加速的双股射流撞击雾化模拟。GPU加速程序的最大加速比为16,取得了较好的加速效果。将GPU加速MPS方法应用于典型工况下的双股射流撞击雾化模拟,成功捕捉到了多尺度的液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程,模拟得到的液膜破碎长度及雾化角度与试验较为吻合,误差分别为11.7%和0.5%,验证了GPU加速MPS方法在双股射流撞击雾化问题中处理能力。参数化分析了射流速度和撞击角度对液膜破碎长度、雾化角度及一次雾化液滴索尔直径的影响。结果表明撞击角度增加或者射流速度增加均会导致液膜破碎长度减小、雾化角度增加、一次雾化液滴索尔直径减小。     

喷雾场特性的实验研究

采用全息方法对流动环境中实际喷嘴的喷雾场进行了大量的实验研究，获得了在不同工况下喷雾场液滴尺寸分布，液滴运动速度及运动角度和空间分布等许多实验结果，这些结果给出了喷雾特性随喷雾压力，气流速度和喷嘴尺寸等因素的变化特点，揭示了喷雾场中液滴速度及角度的分布规律，为喷雾运动的计算提供了有用的数据。     

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。     

直射式喷嘴喷雾特性的实验研究

用二维激光测速测粒仪,对直射式喷嘴在横向气流中所形成喷雾的粒度、平均和脉动速度,以及浓度进行了测量。研究了喷雾的结构,气流速度以及喷射方向对喷雾特性的影响,不同直径的粒子在横向的扩散。为两相流模型的研究以及数值计算结果的验证提供实验数据。      

双级轴向旋流杯气量比对雾化性能影响的试验

为探索小状态下改善雾化性能的途径,从调节旋流杯气量分配的角度出发,对不同一、二级气量比的双级轴向旋流杯开展了试验研究,获得了气量比对液滴平均直径、液滴尺寸分布指数以及喷雾锥角的影响规律。试验结果表明:气量比的增大不仅降低液滴平均直径,而且使得旋流杯在较宽的供油压差范围内都具有良好的雾化品质,可实现小状态下雾化性能的改善。旋流杯喷雾锥角随气量比的增大而增大,随供油压差的增大而增大并逐渐趋于稳定。旋流杯总气量恒定时,气量比接近1时的综合雾化性能最佳。      

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。     

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。     

中心分级燃烧室预燃级的喷雾特性研究

为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°～70°,随着燃油流量和空气压降的增加,喷雾锥角增大,燃油分布范围更广,液滴数量增加,直径随之变小。预燃级的中心回流区宽度仅为20mm左右,一直延伸进套筒内,最大回流速度约为10m/s。燃油流量的改变对流场的影响十分微弱,而空气压降的增加能够明显增加流场速度和回流强度,但是工况参数的改变并不会改变回流区位置和流场结构。燃油流量的减小和空气压降的增加都会使雾化索太尔平均直径(SMD)减小,但相比之下,空气压降对雾化水平的影响更大。在各头部空气压降下,雾化SMD随着气液比(ALR)的增加而减小,但随着ALR的继续增加,平均SMD变化曲线变平缓。     

旋流空气对双油路离心喷嘴雾化特性影响的实验

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对带空气旋流器的双油路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究,供油压力的工作范围在0.3~2.1MPa,采用轴向逆流器,旋流器叶片出口角为79°,旋流器前后空气压降在0.03~0.15MPa,实验得到了索太尔平均直径(SMD)与喷雾锥角随供油压力与风速的变化规律.结果表明:在相同供油压力下,旋流器通入空气后,喷雾锥角值较未通入旋流空气时将增大15°~20°,索太尔平均直径比未通入旋流空气时减小40%.      

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。