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。     

燃油喷嘴雾化特性试验研究

为了检验某型航空发动机燃油喷嘴改进设计效果,利用相位多普勒粒子分析仪对燃油喷嘴的雾化性能参数进行试验研究。得到雾化液滴的索太尔平均直径的空间分布、轴向平均速度、脉动速度及其湍流度的分布情况。结果表明:轴向平均速度呈凹盆状分布,脉动速度呈双峰状分布;喷雾中心湍流度大,喷雾边缘湍流度小。随着供油压力增大,在相同测试截面上,喷雾的范围和中心区域粒径变大,边缘位置粒径变小。在相同供油压力下,随着与喷嘴距离的增加,喷雾范围增大,喷雾的轴向平均速度和脉动速度减小,轴向速度的湍流度波动幅度减小。     

射流装置降温性能评估及敏感性分析

为了研究射流预冷喷射装置方案的降温性能及敏感性,以涡轮基组合循环发动机(TBCC)射流预冷技术为研究对象,提出由低流阻翼型结构的喷杆和雾化喷嘴组成的射流预冷喷射装置方案。利用FLUENT软件对射流预冷喷射装置方案进行了数值模拟,获得该装置在不同喷嘴布局下的流场特性,以流场均匀性、阻塞比、压力损失、温降等性能指标评选最优方案。经过初步分析,蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量会对蒸发过程产生影响,因此采用DOE结合数值模拟计算,对各影响因素对降温量和蒸发量进行敏感性评估。分析结果表明:喷射后的温降情况受射流流量、气体来流温度和蒸发距离的影响明显,分别约为65%、20.4%和1.3%;受液滴粒径的影响不明显,约为0.21%。在后期的试验过程中,应充分考虑喷射流量、气体来流温度和蒸发距离对温降的影响。     

中心分级燃烧室雾化特性试验研究

为了研究中心分级燃烧室雾化特性,设计中心分级燃烧室头部进行雾化特性试验研究。头部预燃级采用贫油直接喷射,主燃级采用预混预蒸发。试验采用了相位多普勒粒子分析仪测量液滴粒径及速度,用10μm以下的小液滴速度近似流场速度。实验结果表明:流场具有中心回流区(PRZ)、唇口回流区、角落回流区(CRZ)、预燃级高速射流区及主燃级高速射流区等结构;流场结构对称且受工况改变影响较小;大液滴集中在中心回流区及角落回流区。中心分级燃烧室不同于其他分级燃烧室,其具有特殊的流场结构及燃油雾化分布规律;在近场流场区域65μm～75μm液滴集中在PRZ区域和CRZ区域;近场区域内Case 4雾化D32是Case 3的60%。     

有蒸发稀液雾冷态射流的大涡模拟研究

为研究气相湍流场中液滴弥散和蒸发过程的特点和影响因素,加深对气液耦合作用的认知,用欧拉-拉格朗日相结合的办法数值模拟了稀液雾冷态受限射流和自由射流。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟技术模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑相间质量、动量、能量交换,采用相平衡蒸发模型模拟液相的蒸发效应。模拟得到的液相速度场、粒径分布和质量流率等均和实验数据较好吻合。有回流的受限射流中初始惯性对Stokes数大的液滴弥散影响较大,而Stokes数在1附近的小液滴弥散更受气相流场结构影响。液雾单位体积蒸发速率和液滴弥散分布密切相关。自由射流中液滴受初始惯性和受气相流场作用大体一致,大小液滴的弥散分布基本满足自相似性。     

密集型空气雾化流场破碎特征数学模型研究

低速液体射流在高速湍流气体作用下的气液同轴射流雾化流场是瞬态密集型喷雾场,高速湍流中影响和控制雾化的因素很多。针对空气雾化流场液核分布与特征进行分析,开发了模拟液核的随机浸入体模型,结合大涡模拟方法对同轴射流空气雾化喷嘴下游流场进行数值模拟。模拟结果与实验结果对比表明：随机浸入体模型可快速捕捉液核的长度和位置信息。当气液动量比M为3~10000时,能够较准确地预测液核长度,当M>10时,其预测结果远优于唯象模型;该模型能够捕捉回流区、大尺度涡等流场结构。同时,可以准确地预测喷嘴附近的液滴粒径,特别是在气流速度较大（>60m/s）时,液滴平均直径预测误差<10%。     

合成射流激励器对射流矢量的影响

合成射流激励器全流场计算模型—X L模型,实现了将激励器腔体及外部受控流场作为单连域的计算处理。对合成射流激励器在不同工作状态下控制宏观低速流流动进行了数值分析和机理探讨。结果显示:应用合成射流激励器可以有效控制宏观低速流流动方向,通过改变激励器的工作参数和布置位置可以控制主流的偏转角度;激励器处于"拉"模式对主流的控制效果更明显,且激励器与受控主流之间存在一个最佳距离,使得对主流的矢量控制效果最大;合成激励器工作形成的漩涡对强度受合成射流频率和速度幅值影响。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。     

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。     

喷雾液滴速度分布的实验研究

采用激光全息测量技术对两种压力式喷嘴的喷雾液滴速度进行了测量。实验中测量了喷雾场不同区域的液滴速度分布。实验结果表明:不同工况下, 喷雾初始区中某一种尺寸液滴的速度和运动角度并不相同, 而是具有一定的速度、角度分布范围, 其取值呈现一定的随机性;在不同轴向位置处, 相应于本文的实验工况, 液滴运动速度和运动角度均随轴向距离的增加而减小, 但对于不同的尺寸, 运动参数的变化程度又有所不同。      

基于粒子轨迹的结冰风洞收缩段优化设计数值模拟

为了研究收缩段型面和液滴轨迹特性对结冰风洞流场品质与结冰试验效果的重要影响,获得收缩段的优化设计参数,采用数值模拟方法,使用二维简化模型对3m×2m结冰风洞收缩段的流场特性进行了研究,对几种典型收缩曲线的流场进行了计算,对比了收缩曲线对沿轴向压力分布、出口截面速度分布、不同粒径云雾粒子的极限释放距离及试验段入口云雾粒子分布的影响,结果表明:三次曲线与x_m为0.4的五次曲线不能满足流场合格指标,其他曲线流场特性差别不大,维氏曲线具有最小极限释放距离,在收缩段出口,三次曲线和五次曲线粒子包络面积最大,综合比较,x_m为0.5的五次曲线能有效兼顾流场均匀性、极限释放距离和收缩段出口粒子包络面积比.      

空心锥形喷雾与横流掺混特性研究

在空心锥形喷雾与横向气流掺混过程中,大尺度对称旋涡对CVP(Counter-Rotating Vortex Pair)是影响液滴扩散的主要机制,为了研究CVP结构的演变特性,本文开展了空心锥形喷雾与横向气流掺混过程的实验研究,采用PIV可视化技术对不同喷雾状态与横流速度下掺混流场中液滴的扩散与分布特性进行了测量。结果表明:CVP的卷吸夹带作用使雾化液滴主要分布在掺混流场中上部;初始雾化液滴动量较大时,CVP结构尺寸与涡心强度越大,有利于液滴的扩散;横流速度提高时,CVP结构位置上移,尺寸减小,掺混效果变差。采用涡心强度、涡心距与涡心高度三个参数来描述CVP结构强度特征,基于实验测量结果给出了CVP结构上述特征参数的关联式。在横流速度、喷嘴压力和初始雾化粒径3个变量中,初始雾化粒径对CVP结构影响最大,而喷嘴压力和横流速度的影响较小。     

超声速气流点火助燃用等离子体火炬的试验研究

对一种用于超声速气流点火助燃的高频率电弧等离子体发生器的工作特性进行了试验研究。首先采用CCD高速相机、光谱分析仪对静止空气条件下的等离子体喷射过程进行了试验,获得了不同种类、不同工作气喷注压力下等离子体射流的活性粒子种类和能量分布特性;其次,采用纹影技术对超声速横向射流条件下的等离子体喷射流场结构进行了分析。研究结果表明,等离子体射流能量集中于等离子体射流的中心轴附近,并且在中心轴下游2cm左右达到了最大衰减。等离子体的喷注压力对等离子体射流的能量分布和光谱特性影响较大。当等离子体的工作介质为N2时,喷注压力由0.3 MPa增大至0.5MPa,等离子体射流具有比较好的能量交换过程。通过光谱分析发现,氮气等离子体的组成是氮原子和氧原子,其强度随着与喷嘴距离的增大而减小,随着工作压力的增大而增大。等离子射流横向喷入超声速流场对主流的阻碍作用导致弓形激波的形成,它能有效促进活性粒子和来流的掺混过程。     

三级轴向旋流燃烧室流场结构研究

为深入了解燃烧室内流场,研究不同来流状态对燃烧室流场结构的影响,基于粒子成像速度仪(PIV)技术,对采用三级轴向旋流器的航空发动机燃烧室进行流场测量,分别在Case 1常温低压(0.49MPa)、Case 2常温中压(0.98MPa)、Case 3常温高压(1.64MPa)、Case 4全状态(高温813K高压2.78MPa)来流条件下进行。研究结果表明,同一燃烧室模型在不同速度、温度和压力来流下有基本相同的流场结构,但在中心回流区尺寸、角落回流区尺寸、主燃孔和掺混孔射流等细节方面仍有明显差异,来流压力较高的流场中心回流区向下游扩展更深入,角落回流区被压缩,主燃孔和掺混孔射流速度增加且进气比例增大。     

自耦合射流流动特性的PIV实验研究

采用三维粒子图像测速仪(PIV)对具有相同出口面积的圆孔喷口和狭缝喷口自耦合射流激发器外部流场特征进行了实验研究.结果表明:狭缝喷口自耦合射流与圆孔喷口自耦合射流的形成过程相同,都经历了涡环产生、发展、破碎融合的周期性过程,在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流.时均流场分布表明狭缝喷口自耦合射流的流场型面较宽,扩展角度较大.狭缝短轴方向和圆孔水平方向上自耦合射流的时均速度曲线呈现规则的对称分布和速度自模的特征,而狭缝长轴方向自耦合射流在靠近喷口处的速度分布呈现马鞍状,这一特征随着法向距离增大而逐渐消失.      

喷口加齿湍射流增强混合的实验与数值研究

实验测量了圆湍射流和不同数目加齿射流流场速度信号,用标准κ-ε模式对实验中对应条件的湍射流流场进行了数值计算.研究了喷口不同数目加齿对自由湍射流多尺度湍涡结构的控制效果.结果表明:加齿改变了湍射流多尺度涡结构能量的空间分布,将射流中心线位置的能量向边界输运.此外,加齿对近场齿尖位置涡结构具有破碎作用,而且在不同流向法向位置还会引起涡的合并和卷吸.     

双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。     

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.      

横流作用下气液两相环状流射流液膜的雾化特性实验研究

为了更好地认识横向气流对气液两相环状流射流雾化过程的影响,本文采用高速摄像等技术,针对气液两相环状流射流液膜在横向气流中的破碎与雾化特性开展了实验研究。研究发现,气液两相环状流射流在横流作用下能够实现稳定的雾化,射流液膜的破碎与雾化具有周期性和不连续性特征;查清了雾化过程中射流液膜存在三种不同的破碎模式：爆式破碎、分段式破碎和环膜破碎,并对每种破碎模式下的液膜破碎特征进行了研究;结合实验结果统计分析,获得了射流液膜不同破碎模式的动力学条件和变化规律;同时对环状流射流液膜不同破碎阶段的雾化液滴的粒径分布进行了统计分析,发现三种破碎模式下,液膜的爆式破碎产生的雾化液滴粒径更小,雾化效果较好,同时提高环状流表观气速和横流速度也能够促进射流液膜的雾化。     

涡轮级间燃油雾化特性数值研究

为实现航空发动机加力燃烧室的无稳定器燃烧组织,以加力燃烧室燃油在涡轮内提前雾化蒸发特性为研究对象,采用经过试验验证的数值模拟方法,对燃油喷雾在涡轮级内的流动雾化特性及影响因素开展数值分析。在不同来流温度条件下,考察了燃油在静子流道的展向、周向和轴向不同喷入位置的运动轨迹、粒径分布和涡轮出口气态燃油浓度分布。研究结果表明,喷雾位置和来流总温对燃油雾化特性都存在影响,具体表现在:(1)不同展向位置的燃油雾化特性相似;(2)吸力面燃油雾化质量优于压力面;(3)在喉道附近的燃油雾化质量优于叶片前缘和尾缘;(4)在雾化过程中的不同时段,液滴数量的变化是破碎与蒸发的竞争机制影响的结果;(5)提高来流总温可以提高雾化质量。另外,涡轮内非均匀流场中各位置温度与速度对燃油雾化蒸发影响的比重不同,在同一来流总温条件下,速度对燃油雾化的影响大于温度。