蒸发式燃油喷射装置蒸发性能研究

燃油在蒸发管内的蒸发,是一个复杂的过程,它受多种因素影响,例如燃油起始雾化平均滴径、与气流的相对速度、油气间的掺混、传热、传质、油蒸气的扩散、油雾在管内停留时间、管壁影响、气流温度、燃烧区传给它的热量,燃料的物理性能等等。燃料蒸发的理论研究多限于单滴油珠,因为油雾的计算极困难,因此要精确地进行理论计算目前还不可能。      

考虑地面影响的半空间气动噪声数值计算方法

含非紧致边界的半空间气动噪声问题普遍存在于航空领域,在数值计算过程中不仅要考虑非紧致边界的散射效应,还需要考虑地面对声波的反射。基于Lighthill声模拟理论和广义格林函数方法,引入边界声压积分项和可压缩修正项可以考虑非紧致边界以及流体可压缩性对声波散射的影响。然而在半空间声场的计算过程中,包含沿无限大地面的积分项,为了克服沿地面积分所带来的巨大工作量,根据无穷大平板对声波的反射特性,推导得出频域下基于半空间格林函数的声学积分方程。同时开展了半空间中应力源噪声与圆柱绕流噪声的数值预测与分析,验证了该方法的准确性与高效性。     

用契合方法求平面SH波对半圆形突起地形的散射

采用“契合”的方法，给出了一个求解平面SH波对半圆形凸起地形散射的新方法。利用包括半圆形凸起上边界在内的一个圆域中预先构造的满足其上半部应力为零，下半部应力任意的级数解和其余的具体半圆形凹陷的半空间中的解答，通过在其结合面上完成“契合”的过程中分别决定出出圆域和半空间中的解答，给出了问题的最终结果。利用上述方法，问题的求解仍归结为对一组无穷代数方程组的求解。最后，给出了数值结果并对其进行了讨论。     

A new stationary droplet evaporation model and its validation

The liquid droplet evaporation character is important for not only combustion chamber design process but also high-accuracy spray combustion simulation.In this paper,the suspended droplets' evaporation character was measured in a quiescent high-temperature environment by micro high-speed camera system.The gasoline and kerosene experimental results are consistent with the reference data.Methanol,common kerosene and aviation kerosene droplet evaporation characteristics,as well as their evaporation rate changing with temperature,were obtained.The evaporation rate experimental data were compared with the prediction result of Ranz-Marshall boiling temperature model (RMB),Ranz-Marshall low-temperature model (RML),drift flux model (DFM),mass analogy model (MAM),and stagnant film model (SFM).The disparity between the experimental data and the model prediction results was mainly caused by the neglect of the nat ural convection effect,which was never introduced into the droplet evaporation concept.A new droplet evaporation model with consideration of natural convection buoyancy force effect was proposed in this paper.Under the experimental conditions in this paper,the calculation results of the new droplet evaporation model were agreed with the experimental data for kerosene,methanol and other fuels,with less than 20％ relative deviations.The relative deviations between the new evaporation model predictions for kerosene and the experimental data from the references were within 10％.     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

多组分液滴蒸发过程的理论模型及试验研究

建立了多组分液滴蒸发过程的理论模型，通过该模型计算了不同浓度的酒精液滴在静止环境中的蒸发过程，计算结果与试验结果基本一致。计算和试验结果表明：在蒸发过程中，液滴中酒精的浓度不断下降，受其影响液滴的蒸发速率也不断下降；酒精浓度和环境温度越高，液滴的蒸发速度越快。酒精液滴蒸发过程中，无量纲面积与时间不再是线性关系，这是与单组分液滴蒸发过程的本质区别。     

乳化油的蒸发和燃烧研究

本文从理论和实验两方面研究航空煤油和0~#柴油乳化液的蒸发和燃烧特性。结果表明,乳化油燃烧时出现的微爆现象能明显缩短油珠的生存期,对提高燃烧效率和强化燃烧十分有利;乳化油的燃烧,也为抑制氮氧化物和微碳粒的生成提供了有利的条件。文中也详细讨论了主要工作参数对微爆过程的影响,对乳化油的工程应用有参考价值。     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

固体火箭发动机液体喷射熄火过程中喷射液体的射流速度和液滴运动与蒸发

针对在固体火箭发动机液体喷射熄火研究中所用液体喷射实验装置,推导了液体射流速度,液滴运动与蒸发的控制方程组,并进行丁数值求解,研究了影响射流速度、液滴尺寸及其蒸发速率的因素。结果表明:液滴的初始速度和直径主要受喷射压降、液体表面张力和粘度的影响;影响液滴运动速度的因素有环境压强和温度;环境温度和液体的汽化潜热对液滴的蒸发速率有着重要的影响。上述结果对于合理设计满足固体火箭发动机熄火要求的液体喷射装置,选择合适的液体介质具有一定的指导意义。     

乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应的试验研究

设计制造了一种旋转式气流换向阀,使用该换向阀能够产生较高频率、较大振幅的压力振荡,在此基础上建立了压力振荡环境下燃料液滴蒸发过程的试验系统,利用高速阴影成像系统对乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应特性进行了试验研究,试验结果表明,乙醇液滴蒸发过程对压力振荡具有快速响应的能力,压力振荡过程中,蒸发速率并不与环境压力的值成正比,蒸发速率的最大值发生在压力下降过程的后期阶段,蒸发速率的大小与压力振荡的频率、振幅有关。     

低频压力振荡环境下静止液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得燃料液滴对压力变化得到响应特性,从微观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析。结果表明压力振荡会导致流场内部力的不平衡,从而会使液滴周围边界层内气体产生周期性流动,以及液滴周围边界层内蒸气质量分数的振荡,最终会使液滴蒸发速率的产生与压力振荡周期相同的振荡。在此基础上,根据流动边界层理论,提出了饱和蒸气边界层的概念,建立了压力振荡环境下静止液滴蒸发的准稳态模型并进行了数值求解,获得了静止液滴蒸发速率对压力振荡的响应特性。     

驻涡燃烧室蒸发管供油装置的雾化蒸发性能试验

设计了两种适用于驻涡燃烧室的蒸发管供油装置,并通过试验研究了两种蒸发管在不同环境温度、气液比、蒸发管雾化用气温度、流速等条件下的雾化蒸发性能.试验结果表明,这些条件对蒸发管的雾化蒸发性能均有较大影响,而且不同蒸发管出口轴向位置处的雾化性能也有较大差别.比较两种蒸发管的雾化性能后,选择其中较好的一种蒸发管作为涡轮级间驻涡燃烧室的供油装置,燃烧性能试验的结果表明,采用此种蒸发管的驻涡燃烧室具有较高的燃烧效率、较宽的稳定燃烧范围和较低的壁面温度.      

发动机进口支板防冰热负荷数值模拟

为研究航空发动机进口防冰问题,应用三维雷诺平均N—S方程和双方程k～ε模型,计算了某发动机进口支板外部空气流场,用欧拉法建立并求解了空气中过冷水滴控制方程;选取某些飞行工况,得到了支板防冰表面的水滴撞击特性,且分别在干、湿蒸发2种情况下得到了表面的防冰热负荷分布。可以此为基础进行支板表面加热形式和结构设计.     

煤油液滴高压蒸发特性

采用真实流体模型描述高压下流体热物理性质的非理想性,并采用状态方程（EoS）法计算多组分高压气-液相平衡及环境气体溶解性,在此基础上建立包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对中国新一代高压补燃液氧/煤油发动机,详细研究了煤油液滴在超临界环境下的高压蒸发特性及各因素影响机理。结果表明：高压环境会显著加快液滴温升速率,但弱超临界环境下仍然为相平衡控制的亚临界蒸发状态;只有强超临界环境下才较容易发生扩散控制的超临界蒸发状态。在高压、高温环境下,忽略气相溶解性将导致液滴蒸发速率明显偏小。针对弱超临界环境,温度升高会使液滴蒸发速率单调增加;压力升高则在低温下降低蒸发速率,而在高温下加快蒸发速率。针对强超临界环境,温度升高只提升初始亚临界蒸发阶段的蒸发速率,而超临界蒸发阶段的蒸发速率与环境温度无关;压力升高则同样会提升初始亚临界蒸发阶段的蒸发速率,但会降低超临界蒸发阶段的蒸发速率,此时的总蒸发寿命随压力升高小幅下降。     

振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性

针对推进剂液滴在惰性气体中的蒸发过程建立了非定常物理模型,并应用全隐差分格式离散模型方程进行数值求解。研究了液滴蒸发过程对环境气体压力振荡的响应特性,可为液体火箭发动机不稳定燃烧分析提供理论基础。      

新型蒸发燃油喷射装置的雾化和蒸发性能

为了研究满足燃烧室雾化要求的雾化方式,设计了采用侧喷和逆喷供油方式的两种蒸发管,并对其分别进行了雾化和蒸发率两方面的实验。实验测试了蒸发管在出口不同轴向距离的雾化效果以及不同外界温度下蒸发管的蒸发性能,分析了影响蒸发管雾化和蒸发的影响因素。实验结果表明,新型侧喷、逆喷蒸发管均能较好的完成燃油雾化要求。     

蒸发管内燃油喷雾预热预蒸特性的数值模拟

为了提高蒸发管内燃油喷雾的蒸发速率,提高可燃混合气中燃油气相浓度,用数值模拟方法分别模拟了雾化燃油在热惰性气体中的预蒸发过程和在热空气中的预蒸发过程.数值模拟结果表明:与油雾在热惰性气体中的纯物理蒸发过程相比,由于"冷火焰"化学反应释放的热量,大大提高了燃油在热空气中的预蒸发的油雾蒸发速率和可燃混合气中的燃油气相浓度.数值模拟的结果与实验数据基本符合.     

Thick exchange layer evaporation model with natural convection effect and evaporation experimental study for multicomponent droplet

In order to investigate the high-temperature evaporation characteristics of multicomponent liquid fuel, three kinds of blended fuel: n-heptane/n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol were experimentally studied with and without forced convection. Further, based on zero-diffusion and infinite diffusion concept, this study expanded Thick Exchange Layer evaporation model with Natural Convection effect (NC-TEL) to multicomponent liquid fuels. The experimental results show that the droplet evaporation rate increases significantly with the increase of ambient temperature. Higher temperature leads to more significant relationships between the composition ratio and the evaporation rate. The effect of forced convection is not obviously under the circumstance in this paper. Then, the evaporation models were validated by experimental data. In general, the new NC-TEL model behaves better than the Ranz-Marshall (R-M) model, and the prediction accuracy at high temperature is improved by 8% to 35%. In lower temperature conditions, the prediction of zero-diffusion NC-TEL model is better than the infinite diffusion NC-TEL model. In high-temperature conditions, for n-heptane-ethanol droplet, the predictions of NC-TEL model are accurate, but for n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol, the predictions are lower than experimental results. This may be caused by the micro-explosion phenomenon and the Marangoni phenomenon.     

航空煤油单滴汽化历史的计算法

本文提出了计算多组份燃料单滴汽化历史的一个可靠实用的新方法。文中将煤油视为十种虚拟组份构成的多组份混合物, 并推荐了虚拟组份有关物性参数的计算方法, 用作者发展的多组份液滴汽化方程组, 计算了三种国产航空煤油滴的汽化历史, 计算结果与实验数据吻合很好。      

随机分布介尺度油滴群的燃烧特性

对液雾燃烧中随机分布油滴群的蒸发/燃烧特性进行了数值模拟研究,详细考虑了油滴尺寸、坐标分布、数密度等相关参数的随机性。采用一步总包反应机理对其进行大涡模拟,在不同的来流速度、环境温度下,剖析了不同数密度油滴群的阻力特性及蒸发率,并结合油滴群燃烧模态分析油滴间的相互作用规律。研究表明,油滴群燃烧模态同时包含单油滴三种油滴燃烧火焰模态;各油滴表面燃料蒸气的浓度分布呈现非对称性,反应核心区发生角度偏转;在强对流环境下,蒸发/燃烧油滴群的平均表面蒸发率与阻力系数的变化与蒸发/燃烧单油滴相似,油滴间的强烈相互作用加速了油滴群蒸发/燃烧的传热传质。