超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

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。     

超声速气流中液体横向射流雾化破碎模型改进

为研究超声速气流中液体横向射流的雾化过程,根据可压缩条件下线性稳定性分析解推导出的不稳定增长率和波数间的色散关系,对KH/RT模型进行了改进,并调整了离散相液滴的追踪算法,利用改进的KH/RT模型对1.94Ma气流条件下水横向射流过程进行模拟。研究表明,数值模拟中液滴的实际追踪数对计算结果有较大影响,而改进的液滴追踪算法有效增加了液滴数,提高了计算准确性;改进的KH/RT模型扩大了Weber数的适用上限至4000,可用于超声速流场;利用改进的KH/RT破碎模型得到的液雾穿透深度与试验测量结果基本一致,而液雾展向和近壁区的分布与试验有一定差异。     

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。     

气泡雾化喷嘴水平喷射特性的研究

研究了一种喷嘴的雾化与流场特性。在喷嘴上游以一定方式将空气或其它种类的气体注入液体中形成两相流动，用水在常温、常压下进行试验。研究了水平喷射时，喷嘴的气体注入方式、气孔大小、锥形收敛段的结构尺寸及气液比对喷嘴雾化和流场特性的影响。试验结果表明，气泡雾化喷嘴水平喷射与竖直向下喷射存在明显的差别，喷射方向不同，喷嘴内的两相流动不同，因而雾化特性不同，收敛段的结构对雾化特性也有影响。该喷嘴的显著特点是在小气液比下可获得较好的雾化效果，因而具有深入研究的价值     

多股射流横向喷入有约束管流过程的模拟

用基于控制体的有限差分方法对一排射流横向喷入管流的流场进行了数值分析，以建立流场温度分布和上游流动条件及几何参数的关系，可变的参数包括：喷嘴直径，喷嘴数，圆柱管半径，射流与主流的体积流量比，温度比和动压比，结果发现，动压比，喷嘴个数和喷嘴间距是三个重要变量，通过对模拟结果的函数拟合，发现射流喷射深度与动压比除以喷嘴数的平方之间的关系可用一个对数函数很好地描述，给出了适用最佳混合的喷射深度和喷嘴间距，提出了可用于结构实设计的程序。     

超声速气流中简化微小液滴横向喷射的汽化过程探索

为研究超声速气流中简化液滴的汽化过程问题,本文分析了两相流计算中已有的两相传热模型,并对简化液滴绕流开展数值计算.在来流Ma≤0.6的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果相一致,而在来流Ma≥0.9的条件下,数值计算得到的简化液滴-气流之间的传热速率与已有模型得到的结果存在很大偏差.由此建立了考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型.进一步,采用Charles B.Henderson阻力系数关系式与新建立的传热模型,对不同直径简化液滴的运动与汽化开展工程计算.在来流2.7Ma的二维平板超声速流场中选取一个截面,作为气相流场,结果显示,(1)简化液滴与主气流存在相对超声速作用.当简化液滴直径dk≤0.12mm时,作用区域约为0.1m～0.4m,当dk>0.12mm时,作用区域明显增大,(2)简化液滴的穿透尺度不超过0.011m/m(深度/长度),时间尺度约为0.28ms～3ms,(3)简化液滴完成汽化的空间尺度约为0.1m(dk>=0.03mm)、0.45m(dk>=0.05mm)与1.24m(dk>=0.075mm),而当dk>0.09mm时,简化液滴完成汽化的空间尺度则大于1.9m.使用考虑简化液滴与气流相对超声速相互作用的两相传热模型与使用传统的传热模型对简化液滴的运动轨迹没有影响,而对简化液滴的汽化过程有较大影响.     

简化微小液滴在超声速气流横向喷射中的运动探索

从研究超声速气流中简化液滴(刚性小球)的气动力着手,比较分析使用CFD方法与使用两相流理论中已有的颗粒阻力系数模型得到的简化液滴气动力结果,得出Charles B.Henderson给出的阻力系数经验关系式适用于计算简化液滴在超声速气流中的运动。进一步,对不同直径简化液滴的运动开展工程方法的计算。在来流Ma=2.7的二维平板超声速流场中选取一个截面,作为气相流场,结果显示:(1)简化液滴与主气流存在相对超声速运动,当简化液滴直径dk≤0.12mm时,纵向相对超声速运动区域约为0.15m~0.4m,当dk0.12mm时,作用区域明显增大;(2)以10m/s喷射出的简化液滴,其横向穿透深度与纵向运动距离比约为0.004m/1m~0.021m/1m;(3)以100m/s的速度喷射出的30~120μm直径简化液滴,其横向穿透深度与纵向运动距离比约为0.02m/1m~0.055m/1m,实际过程中,小尺寸简化液滴的汽化很快,其穿透深度很小。     

横流中喷雾掺混流场结构研究

为了获得有限空间内喷雾在横流影响下的掺混发展及机理,应用PIV系统测量了单个旋流雾化喷嘴产生的喷雾在横流中的掺混流场,实验在矩形通道内实施。获得了3种喷嘴入射角度和3种液气动量比下的掺混截面流场结构。结果表明,由于射流撞击、剪切和壁面约束作用,流场中形成前缘涡和反旋涡对,反旋涡对对掺混起了主要作用。比较不同喷嘴入射角度和液气动量比下的流场结构发现,随喷雾入射角度减小,两相作用提前发生,且反旋涡对尺度小,更利于掺混均匀;随液气动量比减小,气相作用增强,旋涡强度和尺度变小,更小的涡尺度更利于液滴均匀分布。     

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布。结果发现：增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布。该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据。     

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.      

双扇形孔气膜冷却效率的研究

对平板表面的双扇形孔排气膜冷却特性进行了研究,包括孔节距、动量比和主流湍流度对气膜冷却效率的影响.气膜孔的直径为d,气膜孔与主流方向的夹角为45°.孔节距有2d,3d和4d,动量比有1,2和4,主流湍流度有0.4%和8%.结果表明,气膜冷却效率随孔节距增大而降低;孔节距为2d时,动量比增大会引起气膜冷却效率显著增加;孔节距为4d时,气膜冷却效率受动量比的影响相对较小;在孔节距及动量比均较大时,主流湍流度的增大会导致气膜冷却效率较为明显的下降.      

不同淬熄结构下RQL燃烧室流场特性的数值研究

采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法对不同淬熄结构的富油/淬熄/贫油(RQL)燃烧室内定常掺混流动过程进行了数值模拟,分析了不同截面的流场结构,研究了动量通量比及淬熄孔排布方式的影响。结果表明:射流进入RQL燃烧室后发生偏转且偏转方向和旋流方向有关,回流区长度、穿透深度和高湍动能区随着动量通量比的增大而增加;当J≥80时,淬熄射流下游出现高湍动能区,逐渐与上游融为一体;当J≥120时,回流区的长度基本不再发生明显变化。此外,非中心对冲结构C3具有更大的高湍动能区,掺混更均匀。      

基于瞬态液晶测量技术的收缩-扩张形孔

采用一种进行全表面测量的瞬态液晶测量技术测量了新型气膜孔(收缩-扩张形孔)的气膜冷却特性,研究了动量比对冷却效率和换热系数的影响,并与传统的圆柱形孔气膜冷却特性进行了对比,结果表明:收缩-扩张形孔中心线附近区域的冷却效率相对较低,而两孔之间区域的冷却效率相对较高,与圆形孔分布规律相反;在上游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近区域较高,而在下游区域,两孔中间区域的换热系数比相对孔中心线附近又较低,与圆形孔相比也有较大不同。相对于圆柱形孔,收缩缝形孔的平均换热系数比在上游较高,在下游较低;收缩-扩张形孔喷出气膜对下游壁面区域的有效覆盖率远大于圆柱形孔,其展向平均冷却效率明显高于圆柱形孔;收缩-扩张形孔在动量比为2时的平均冷却效率最高。     

二氧化碳射流下孔型对气膜冷却特性影响的实验研究(英文)

This article presents the data about heat transfer coefficient ratios, film cooling effectiveness and heat loads for the injection through cylindrical holes, 3-in-1 holes and fanned holes in order to characterize the film cooling performance downstream of a row of holes with 45° inclination and 3 hole spacing apart. The trip wire is placed upstream at a distance of 10 times diameter of the cooling hole from the hole center to keep mainstream fully turbulent. Both inlet and outlet of 3-in-1 holes have a 15° lateral expansion. The outlet of fanned holes has a lateral expansion. CO2 is applied for secondary injection to obtain a density ratio of 1.5. Momentum flux ratio varies from 1 to 4. The results indicate that the increased momentum flux ratio significantly increases heat transfer coefficient and slightly improve film cooling effectiveness for the injection through cylindrical holes. A weak dependence of heat transfer coefficient and film cooling effectiveness, respectively, on momentum flux ratio has been identified for the injection through 3-in-1 holes. The in- crease of the momentum flux ratio decreases heat transfer coefficient and significantly increases film cooling effectiveness for the injection through fanned holes. In terms of the film cooling performance, the fanned holes are the best while the cylindrical holes are the worst among the three hole shapes under study.     

横向气流中非牛顿液体射流直接数值模拟

采用直接数值模拟研究了动量比为6的非牛顿液体射流在横向气流中的破碎特征,重点分析了表面波发展、弯曲特性和展向扩散等射流结构及其非牛顿特征。在非牛顿液体射流的近喷嘴位置,其表面迹线随时间摆动,并有逆横向气流方向运动的趋势。射流的展向扩散仅在喷入初期较为明显,此后基本维持在接近35°的扩散半角。射流的一次破碎,尤其是液丝与液滴、甚而卫星液滴的生成过程都被精细地捕捉和描述。在近喷嘴的射流柱附近,横向气流流动具有一定的圆柱扰流相似性,在其他区域则表现为极其复杂的紊流特征。射流的非牛顿特性主要体现在黏性系数,不同位置的液体黏性系数相差超过20%。相较牛顿液体射流,剪切稀化的非牛顿射流具有更易破碎的特征。     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。     

Statistical characteristics of spray autoignition of transient kerosene jet in cross flow

To study statistical characteristics of the random spray autoignition, aviation kerosene was injected transiently into non-vitiated air crossflow in a flow reactor with optical accesses. The operating conditions were relevant to gas turbine combustor: the air crossflow pressure and temperature were in the range of 1.4–1.7 MPa and 830–947 K, respectively, and the jet-to-crossflow momentum flux ratios were 20, 50 and 80. Statistical distributions of random ignition delay times with adequate convergence were estimated based on histograms. The dependences of the distributions on reactor pressure, temperature, and jet-to-crossflow momentum flux ratio were studied. The results show that the resulting distributions appear more concentrated with the increase of air temperature or jet-to-crossflow momentum flux ratio. And then the correlations for the mean and standard deviation of the ignition delay time sample data were developed based on the present results. Compared with the correlations of ignition delay time of homogeneous premixed gas-phase kerosene/air mixture reported in the literature, the results show a greater significance pressure dependence and lower temperature sensitivity of the ignition delay time of non-premixed kerosene spray.