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。     

不同拓扑结构喷嘴内交叉射流的数值研究

利用CFD软件对五种不同拓扑三维燃料—空气快速混合喷嘴进行了数值计算;应用两相流模型和RNGk-ε湍流模型,描述了快速混合喷嘴内两相流动过程。计算得出5种拓扑燃料—空气交叉射流喷嘴中湍流强度分布、总压损失系数、在流向方向各个截面温度分布和出口径向温度分布、出口速度分布和出口径向质量分布系数。通过对这些数据的分析,结果表明,射流下游添加肋结构可以有效增强混合气的快速形成,肋添加越多,对燃料的破碎和燃料—空气的混合越有利。     

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

应用S-A模型的自由射流和冲击射流数值模拟

为探索轴对称射流准确的数值模拟方法，根据可压缩的轴对称N-S方程，利用二阶精度的有限体积法对轴对称的自由射流和垂直冲击射流进行数值模拟。结果表明采用Spalart-Allmaras湍流模型，可很好描述射流流动。收缩喷嘴射流计算应从出口上游的内流开始，而不能在出口截面上给定声速条件。计算结果与实验吻合较好，所获得的喷嘴内外部流场的流动状况以及冲击射流参数分布，可用于优化喷嘴内部结构设计。     

多喷嘴构型的轴对称氢氧加热器设计与仿真

为了使氢氧燃烧加热器满足自由射流试验台工作需要并获得均匀的出口气流参数,采用同轴剪切式7个喷嘴轴对称构型喷注器,利用CFD仿真软件对其进行了三维反应流场计算,燃烧模型采用氢氧单步反应模型,获得了设计工况下的参数.计算结果表明:燃烧效率随着中心喷嘴与外围喷嘴距离L与喷注面板半径R之比(L/R)的增大先上升后下降;喷注面板的温度随着L/R的增大而降低,最终维持在600K左右;加热器出口的氧气摩尔分数以及总温的均匀性基本不随着L/R变化而变化;出口主流区的马赫数在6左右满足设计要求.在各个喷嘴的影响区域大致相等时,加热器综合性能良好.氢氧速度比越大,完全燃烧所需区域越短,喷注面板温度越高.与单喷嘴、19个喷嘴的加热器比较发现7个喷嘴的构型较为合理.      

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.      

筒形五喷嘴燃烧室冷态时均流场特性实验研究

为深入研究五喷嘴燃烧室的流场特性,采用高频PIV测量方法对燃烧室中心截面的冷态流场开展实验研究,主要分析了燃烧室入口速度以及中心喷嘴旋流强度对五喷嘴燃烧室中心截面的时均流场特征的影响。实验结果表明：中心喷嘴和外侧喷嘴出口均存在主回流区,外侧喷嘴与燃烧室壁面间存在角回流区,相邻喷嘴射流相互干涉。喷嘴旋流强度相同时,入口速度由10 m/s增大到20 m/s,中心喷嘴和外侧喷嘴的回流区形态、主回流区长度、最大回流速度位置和气流合并点位置基本不变。入口速度为14.3 m/s时,中心喷嘴旋流强度由0.63增大到0.84,中心喷嘴回流区长度增大,外侧喷嘴回流区长度不变,主回流区最大回流速度显著增大,且更靠近喷嘴出口,气流合并点径向位置基本不变,轴向位置向喷嘴出口移动。     

供油压力和滑油温度对某航空齿轮润滑喷嘴射流特性的影响

为了研究供油压力和滑油温度对喷嘴射流扩散角和射流流量的影响,采用基于FLUENT软件的大涡数值模拟方法对喷嘴三维射流流场进行了两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,并用测量结果对两相流仿真和单相流仿真进行了合理性验证.当供油压力和滑油温度作为多因素单变量分别在0.1~1.0MPa,50~110℃范围内增加时,射流扩散角在沿喷孔轴线距喷孔出口100mm范围内近似为零,并且射流流量非线性增加.结果表明:在喷嘴实际使用工况范围内,供油压力和滑油温度的变化对射流扩散角的影响很小;供油压力和滑油温度的交互作用对射流流量的影响较大;射流流量等值线上存在使供油压力和滑油温度的波动对射流流量的影响最小的供油压力和滑油温度组合.      

射流管式伺服阀冲蚀磨损特性

射流管式伺服阀是一种典型的两级流量控制电液伺服阀,其喷嘴至接收器部位的流场最复杂,会因液压介质的污染而产生冲蚀磨损。以射流管式伺服阀为研究对象,将计算流体力学(CFD)理论与冲蚀磨损理论相结合,应用雷诺平均Navier-Stokes方程、标准k-ε两方程模型(液相)、离散相模型(DPM)(固相)和塑性材料冲蚀磨损模型,通过流体动力学软件FLUENT建立射流管式伺服阀喷嘴至接收器部位的可视化仿真模型,并进行了冲蚀磨损率的数值模拟和理论寿命的计算。研究结果表明:液压介质中的固体颗粒对射流管式伺服阀的冲蚀磨损主要集中于左右接收孔所夹中间内壁区域,磨损率最大值随喷嘴偏移量的增加而减小且此趋势左右对称。研究方法和结果对于射流管式伺服阀故障的定性分析、预测和理论寿命的定量计算具有重要参考价值。     

大涡模拟模型环形燃烧室污染特性

在任意曲线坐标系下,采用大涡模拟模型环形燃烧室两相燃烧流场中污染物的生成.用亚网格涡破碎(EBU)燃烧模型估算化学反应速率;分别用NO亚网格动力学模型与CO亚网格模型来模拟NO和CO的生成;采用随机离散模型模拟气液两相湍流流动,两相之间耦合采用PSIC算法.计算结果与瞬态速度场、出口温度和污染物质量分数分布的实验数据比较吻合,表明大涡模拟方法和亚网格模型可以用来预估实际燃烧室两相喷雾燃烧流场和污染物生成过程.      

倾斜单孔射流轨迹与速度分布的研究

本文采用实验和数值模拟的方法,在吹风比分别为0．5、1．0、1．5、2．0的情况下,研究了圆柱单孔二次射流的贴壁性及速度分布。通过对比不同截面位置的流动轨迹和速度分布,发现圆柱孔射流流场的速度分布与圆柱扰流流场的类似。射流出口的最大速度并不位于射流孔中心位置,u值也不是在射流孔中心位置最高。     

离心式喷嘴充填过程内部流动特性仿真

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴充填过程中的内部流动特性。研究了气液界面随时间的变化过程,发现了充填过程中气核收缩和旋转液膜的现象;通过提取气相体积分数等值线的方法计算了充填过程中喷嘴出口液膜厚度和喷雾锥角的变化。结果发现:液膜厚度随出口流量的增大而增大,出口喷雾锥角随出口流量的增大而减小;描述了喷嘴旋流室内的回流现象,分析了充填完成后的压力场和速度场分布,发现在压降和气液作用的共同影响下,中心气核轴向速度沿轴向先增后减。      

气氮调温器Y型喷嘴实验及数值研究

基于FLUENT软件离散相模型及气体助力雾化模型,采用欧拉-拉格朗日方法研究通过Y型喷嘴雾化液氮的雾化特性.由于液氮液滴的蒸发相变,与水相比喷雾锥角更清晰且明显减小,约为10°,喷雾距离缩短.分析喷嘴气液工作压力对液氮雾化索太尔平均直径（SMD）、液滴体积分数和数量分数的影响.结果表明：SMD沿喷射方向变化幅度极小;SMD主要受气相速度及气液比影响,气压低时气相速度影响较大,气压高时气液比影响较大;由于相变作用,液氮雾化粒径分布更为集中.数值研究Y型喷嘴用于不同流量需求的气氮调温器的调温效果,出口温度低于98K,进出口温差达到12K,且整个出口温差在±1K以内,能够实现精确控温要求.     

压电式微型合成射流多域耦合数值模拟

合成射流器的设计与仿真是优化其性能参数的关键。针对目前合成射流器的计算模型在建立物理模型时存在简化误差而导致仿真精度降低的问题,提出了一种基于多域耦合分析的全流场计算模型。该模型采用通用有限元分析软件ANSYS中的压电耦合单元实现电场 结构场的直接耦合分析,并通过ANSYS与流体仿真软件CFX间的耦合接口完成流场 结构场的同步双向耦合,最终实现了压电式合成射流器真实物理过程的数值模拟。基于此模型对合成射流器的工作过程进行了模拟,并研究了驱动电压和腔体结构参数对喷口速度的影响。结果表明：多域耦合模型能准确模拟合成射流的形成过程,数值模拟与实验结果的变化趋势一致,且相对误差不超过8%,为合成射流器的优化设计及控制提供了理论依据。     

喷嘴特性对双旋流燃烧室出口温度分布影响的实验研究

本文以双旋流全环燃烧室为试验对象，在高温高压试验条件下，通过调整全环燃油喷嘴的流量离散度和径向位置来研究其对出口温度分布的影响。试验结果表明，当喷嘴燃油流量离散度控制在±4%以内时，采用简单的大、小流量喷嘴间隔搭配的方案即可保证出口温度分布的均匀性；当燃油流量离散度放大到4%～8%时，采用本实验研究的搭配方案仍可保证出口温度分布的均匀性；当燃油流量离散度放大到10%时，通过调整喷嘴搭配方案已经无法保证出口温度分布均匀性。燃油喷嘴径向位置较火焰筒头部中心线偏离旋流杯腔道高度的11.5%以内时，不影响出口温度分布的均匀性。     

气液交叉射流动力学行为的基础研究

为了模拟燃油在高速喷嘴内的快速蒸发混合过程,基于Eulerian—Eulerian方法,用RNGk一8湍流模型建立了高速喷嘴内两相流流动的数学模型,数值模拟了高速喷嘴内气液两相交叉射流的流动规律。改变气液动量比和韦伯数等条件下的两相流场计算结果表明：动量比增大3倍时横向穿透深度略有增大;而较大的韦伯数能起到强化横向射流的破碎效果。计算结果与同条件下的试验结果相符合。结果为研究HiTAC快速速喷嘴内可燃混合气的快速形成奠定了基础。     

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

三组元喷嘴结构参数对混合腔中两相流的影响

进行了三组元喷嘴混合腔冷态试验 ,研究了喷嘴结构参数对喷嘴混合腔中气液两相流流量特性的影响规律。结果表明 :混合腔中两相流流量系数是气液质量比的函数 ,气液比变化时 ,两相流流量系数变化不大(0 6 8<μm<0 82 )。两相流流量系数随着混合腔出口角度、内外喷嘴缩进长度、混合腔长度和混合腔进气孔位置到混合腔出口距离的增加而减小     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。