激光切割喷嘴及流场分析综述

介绍了国外为提高激光切割效率和切削质量所采用的各种类型喷嘴,并利用空气动力学原理,对各种喷嘴产生的流场进行研究和分析,以便为提高激光切割效率和质量提出相应措施。     

无量纲叶高对叶型喷嘴流动特性的影响

预旋喷嘴作为预旋系统中的重要元件,其性能优劣直接关系到预旋系统的温降效果。在保持喷嘴几何出气面积不变的条件下,对预旋角度为12°,无量纲叶高分别为0.12,0.25,0.5,1和2的叶型喷嘴在压比1.1~1.9范围内进行了数值模拟。计算域包含进气腔、预旋喷嘴和出气腔,研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数和预旋效率。对比了直孔型喷嘴、扩口孔型喷嘴以及叶型喷嘴的性能差异。结果表明叶型喷嘴的流量系数和预旋效率比直孔型喷嘴均增大20%以上,预旋效率比扩口孔型喷嘴略微增大5%左右。叶型喷嘴的流量系数和预旋效率均随压比的增大而增大,随无量纲叶高的增大先增大后微弱减小;叶型喷嘴的无量纲叶高低于0.5时,流量系数和预旋效率将显著减小。     

船用6135型脱碳塔的性能优化

为了减少船舶CO2排放,本文以《MARPOL73/78公约》附则VI关于船舶CO2的排放为基础,采用NaOH溶液对船舶尾气中的CO2进行捕集。在研究了NaOH溶液与CO2气液两相传质的基础上,通过数值模拟与实验相结合的方法对船用脱碳塔性能进行优化。本文分别研究了脱碳塔的烟气进气入口形式、入口倾斜角度、喷嘴喷雾锥角与喷嘴的布置方式改变对脱碳塔脱碳效率的影响。研究结果表明,烟气进气入口形式为切入式进气、入口倾斜角度为15°、喷嘴喷雾锥角为90°、最上部的喷嘴向上喷射且高度与中部喷嘴位于同一水平面时,脱碳塔的脱碳效率能够提高4.42%。数值模拟结果与实验结果较吻合,为日后船用脱碳塔的设计及性能优化提供了参考。     

同轴剪切喷嘴出口壁厚对气-气燃烧性能的影响

以富氢/富氧燃气为推进剂,在单喷嘴燃烧室中开展同轴剪切喷嘴出口壁厚对燃烧性能影响的研究。通过求解N-S方程获得燃烧流场,分析氧喷嘴出口壁厚变化对燃烧产物、温度分布的影响,进行了壁厚变化对特征速度效率和热载影响的试验研究。结果表明,较厚的氧喷嘴出口壁厚有利于稳定火焰,氧喷嘴出口壁厚较薄时特征速度效率较低,并伴随有燃烧室压力不稳定现象。     

加力燃烧室火焰稳定器回流区燃油浓度分析

作者普对横向气流中单个直射喷嘴下游稳定器表现集油问题做了一定的理论分析和试验研究，且两者符合的很好^[1,2]。本文利用以前结果，引入Longwell均匀搅拌器反应模型^[3]。考虑了稳定器油膜蒸发，回流区化学反应等因素。对稳定器回流区的气态油气比，燃烧效率和稳定工作范围做了深入的分析，得出来流参数，喷嘴口径，稳定器几何尺寸及位置对上述特性的影响。     

涡流冷却推力室燃烧效率分析

为了分析喷注器对涡流冷却推力室燃烧效率的影响,开展了2kN气氢/气氧涡流冷却推力室的设计、仿真与试验研究,设计加工了三种不同喷嘴分布直径的氢喷注面板,在试验过程中测量了推力、燃烧室圆筒段内壁面温度、内壁面压力等参数,利用热力计算、流场仿真与试验测量结果对涡流冷却推力室燃烧效率进行了分析。结果表明,在所分析的三种喷注面板中,喷嘴分布半径最大的推力室燃烧效率最高,为97.6%。同时开展了透明燃烧室的试验研究,高温火焰在燃烧室圆筒段59.5％半径以内区域,验证了内外涡流结构的存在。仿真结果表明,氢喷嘴分布直径影响燃烧区域的分布,从而影响燃烧效率。      

椭圆形超燃燃烧室内燃料喷射和掺混性能研究

为了优化超燃燃烧室的工作效率和性能,针对椭圆形超燃燃烧室内的燃料壁面垂直喷射方案,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟方法对不同燃料喷射方案进行研究,着重分析了不同喷注位置的壁面曲率值、喷嘴直径以及反射激波干扰对流场特征及燃料掺混特性的影响。研究表明,喷注位置的壁面曲率对燃料掺混的影响程度与喷嘴直径相关。当喷嘴直径较大时,壁面曲率值越小,燃料的掺混效率越高,但总压恢复系数越低;当喷嘴直径较小时,壁面曲率的改变对燃料横向喷流方案的掺混效率和总压恢复影响很小。在相同喷射动压比下,不同喷嘴直径方案的流场特征以及燃料喷射掺混特性均存在相似性,缩小喷嘴直径能够提高燃料的掺混效率。就本文的研究状态,喷嘴直径为4mm的方案在燃烧室出口处的掺混效率比直径为10mm方案的高出约46.7%。此外,通道中的激波/掺混层相互干扰会大幅降低燃料穿透深度,但产生的剧烈剪切运动能够提高燃料掺混效率。     

某航空齿轮润滑喷嘴结构对喷嘴射流特性的影响研究

为了研究喷嘴结构对喷嘴射流扩散角和射流流量的影响,采用基于FLUENT的大涡数值模拟方法对喷嘴三维射流流场进行了二相流仿真和单相流仿真,分别通过高速可视化和喷射滑油称重的方法测量了喷嘴射流扩散角和射流流量,并用测量结果对二相流仿真和单相流仿真进行了合理性验证.当喷嘴长径比大于2且喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角在0°~90°之间时沿喷孔轴线距喷孔出口100mm范围内射流扩散角近似为零,且增加喷孔直径、喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角或者减小喷孔轴向长度均会引起射流流量的增加.结果表明:当喷嘴长径比大于2且喷孔轴线与喷孔上游管道轴线的夹角在0°~90°的范围内变化时对射流扩散角的影响很小;喷孔直径、喷孔轴向长度和喷孔轴线与上游管道轴线的夹角通过影响局部损失和沿程损失,从而影响喷嘴射流流量.      

气-气推进剂氧喷嘴出口型面对特征效率的影响

通过对气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴进行研究,分析同轴剪切结构喷嘴出口型面变化和厚度对特征效率的影响.结果表明:氧喷嘴出口处能形成小尺度的回流区,起到火焰稳定器的作用;带扩口的氧喷嘴使氧产生径向速度,使回流区受到干扰,使推进剂特征效率较低;直口的喷嘴有利于推进剂火焰的稳定,而达到高的特征效率;而不同氧出口厚度对特征效率的影响不大.      

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。     

喷嘴雾化特性模糊评判模型

利用模糊综合评判法构造喷嘴雾化模糊关系矩阵，建立了描述喷嘴雾化特性的模糊数学模型，利用该模型分别对不同工况下的空气雾化喷嘴，离心式喷嘴雾化特征进行了理论计算，通过聚类，对5种实验工况进行了分类，计算的分类情况与实验结果基本一致，对空气雾化喷嘴，离心式喷嘴不同实验工况的雾化效果进行了正确的评判。     

叶型孔式预旋喷嘴流动特性数值研究

现有研究表明叶片式喷嘴是目前为止性能最好的预旋喷嘴。而在整环的喷嘴盘设计中,当喷嘴总面积、预旋角度、喷嘴数目和半径位置确定后,喷嘴叶高和栅距就固定下来,往往因为叶高与栅距的比值过小而大大降低喷嘴性能。在叶片式喷嘴基础上提出了一种能够调整喷嘴叶高到恰当值的新型预旋喷嘴——叶型孔式喷嘴(vane shaped hole nozzle,vsh nozzle)。采用数值方法深入对比研究了叶型孔式喷嘴与叶片式喷嘴的性能差异。为了考虑喷嘴下游预旋腔的掺混影响,计算域不仅包括静止的进气腔和喷嘴,还包括转动的预旋腔和接受孔。计算结果表明,叶型孔式预旋喷嘴的流量系数和预旋效率显著高于叶片式喷嘴,vsh-52喷嘴的流量系数比vane-52喷嘴高9.14%,预旋效率高4.44%。还提出采用有效流量系数、有效预旋效率两个参数来体现考虑喷嘴下游预旋腔掺混影响的喷嘴综合性能。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

磁研磨法去除微小喷嘴棱边处毛刺的研究

微小喷嘴旋流槽棱边处的毛刺用传统研磨方法难以去除,本文提出了利用旋转电磁场带动微细磁针旋转与喷嘴形成碰撞来实现对喷嘴旋流槽棱边处的抛光处理这一新的研磨方法 ,解析了旋转磁场的产生原理及电磁研磨机的工作原理;分析了电磁研磨机对微小喷嘴棱边处毛刺的去除机理;进行了抛光试验,用3D超景深电子显微镜观察喷嘴棱边处并记录研磨前后的照片。试验结果表明,电磁研磨机可以对微小喷嘴旋流槽棱边处的毛刺起到良好的去除作用。     

隔板喷嘴对燃烧室切向声学模态作用研究

隔板喷嘴通过改变燃烧室声学特性,在抑制火箭发动机高频燃烧不稳定性方面具有重要作用。然而,目前并没有合适的理论模型,来预测隔板喷嘴对燃烧室声学特性的作用规律。为了获得隔板喷嘴对燃烧室内切向声学振荡模态作用的理论模型,通过理论推导隔板喷嘴声导纳,利用分离变量法结合实验验证,研究了径向隔板喷嘴间隙、数量及长度对燃烧室一阶切向声学振荡模态的影响。结果表明,存在最佳隔板喷嘴间隙,对燃烧室内一阶切向声学振荡模态抑制效果最佳;随着隔板喷嘴数量或长度的增加,燃烧室内一阶切向声学振荡模态频率和幅值均呈现下降趋势,且弱化了隔板喷嘴间隙的作用效果。该模型为隔板喷嘴研究奠定了一定的理论基础,研究结果为火箭发动机隔板喷嘴设计提供指导。     

燃油喷嘴对燃烧性能的控制研究

在WP-7发动机单管燃烧室上采用三种不同形式的燃油喷嘴(离心式、空气雾化式及气旋离心式)进行燃烧试验以研究燃油喷嘴对燃烧性能的控制作用.实验显示了不同形式的喷嘴产生出燃烧性能的差别.通过考察该三种喷嘴对出口温度场燃烧效率、温度不均匀系数、点火、火焰稳定等的控制程度得出:根据需要,可以选择适当的喷嘴来控制性能.特别是本文研究的气旋离心式喷嘴易于控制出口温度场的热点位置,具有离心式和空气雾化式两种喷嘴的优点.     

同轴双剪切气-气喷嘴试验研究

为研究应用于全流量补燃循环发动机的新型结构气-气喷注器,对以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴进行试验研究,分析喷嘴不同中心氢流量比例和流量变化对推进剂燃烧效率的影响。结果表明:中心氢流量与外圈氢流量的比例是同轴双剪切喷嘴重要的设计参数。当中心氢流量比例为0.3至0.4之间时,同轴双剪切喷嘴使推进剂高效燃烧;在喷嘴流量相当于航天飞机主发动机单喷嘴8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能使推进剂达到高的燃烧效率。     

煤油同轴喷嘴超临界燃烧与火焰特性实验研究

为研究煤油同轴离心喷嘴的超临界燃烧与火焰特性以及缩进比对燃烧及稳定性的影响,在煤油超临界条件下进行了不同缩进比喷嘴的燃烧实验,实验采用单喷嘴矩形燃烧室,空气和氧气混合物以气态从同轴喷嘴的中心喷嘴喷注,煤油以液态从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注,实验利用采样频率为36k Hz的彩色高速CCD相机成功观测到煤油超临界燃烧现象。煤油同轴离心喷嘴超临界燃烧火焰总体呈圆柱射流状;缩进比较大喷嘴的火焰图像中,喷嘴出口为半透明的"稠密"气状射流,未观测到明显的雾化破碎过程;喷嘴缩进比为1.62时火焰较窄且出现火焰团间歇性脱落情况;缩进比对燃烧和燃烧稳定性均有影响,存在相对最佳值使燃烧较稳定。     

燃油温度对离心喷嘴雾化特性影响的试验

对某中心分级燃烧室头部的三种型号离心喷嘴副油路燃油喷入静止大气中的雾化特性进行了试验研究,获得了不同进口燃油温度(-40~80 ℃)和供油压差对燃油雾化特性的影响规律。利用相位多普勒粒子测量技术（PDPA）测量了沿流向距离离心喷嘴出口30 mm平面上的油雾特性,并利用激光粒度分析仪对试验结果进行了进一步验证。研究结果表明:①离心喷嘴的流量数随燃油温度的升高而逐渐减少,且在低温段下降幅度更大;②测量平面上沿直径各处的Sauter平均直径（SMD）在低温段随燃油温度的升高而减小,且油锥中心处的SMD下降幅度更大;③利用激光粒度分析仪测得的油雾场粒径分布在一定程度上验证了PDPA测量结果的正确性,液滴特征直径和液滴尺寸分布系数随供油压差的增大而减小。     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。