厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

厚液膜敞口型离心喷嘴动力学特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的动力学特性,开展了厚液膜敞口型离心喷嘴动力学响应特性试验研究。使用水为工作介质,通过改变喷嘴切向孔直径实现了旋流腔液膜厚度改变,通过脉动发生装置在喷嘴上游的供应管路上产生流量和压力振荡。使用脉动压力传感器记录了喷前压力的振荡特性,使用高速相机记录了旋流腔内流过程和喷注雾化的响应特性。研究发现：当扰动波较长时,旋流腔内液膜的厚度和喷嘴的喷雾角均周期性变化,厚液膜和薄液膜喷嘴内流过程对扰动波的动力学响应特性差别不大;随着扰动波长缩短,旋流腔内液膜局部"缩口","缩口"向下游传播并使喷雾过程出现Klystron效应;当扰动波较短时,相较于薄液膜喷嘴,厚液膜喷嘴旋流腔内流动过程对扰动波的耗散作用较弱,但厚液膜喷嘴的雾化过程对外加扰动始终不敏感。     

Periodic atomization characteristics of an impinging jet injector element modulated by Klystron effect

An experimental study on the Klystron effect of periodic injection modulated by pressure drop fluctuations on subsequent atomization is conducted. Time-resolved atomization backlit images and atomization Mie scatter images are captured by using the high speed camera. It is found that periodicity of forced atomization relies on pressure drop fluctuation amplitude and phase differences between atomization and pressure drop fluctuations relate to fluctuation frequencies. This feature of periodic atomization induced by Klystron effect corresponds to periodicities and high amplitudes of pressure fluctuations in unstable combustion chambers and chaos and low amplitudes of pressure fluctuations in stable combustions chambers. Drastically periodic varying of gross surface area of droplets with time was shown in Mie scatter images. The importance of periodic impinging jet atomization modulated by pressure drop fluctuations for acoustic liquid propellant combustion instabilities is illustrated.     

压力振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究供应系统振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了供应系统有/无振荡两种情况下离心式喷嘴的喷雾形态,以及供应系统有/无振荡两种情况下气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态。发现当离心式喷嘴供应系统振荡时,离心式喷嘴产生的锥形液膜也周期性地振荡,同时出现Klystron效应。液膜周期性振荡以及Klystron效应出现的频率与供应系统振荡频率一致。Klystron效应的出现使得喷雾锥角突然减小,锥形液膜发生折叠。供应系统振荡对自激振荡喷雾形态也有显著影响。供应系统振荡引起的Klystron效应使得液膜锥角减小,从而造成"圣诞树"型自激振荡喷雾上的"树枝"增多,同时自激振荡频率增加。这是因为当速度大的液膜追上速度小的液膜时,就会产生Klystron效应并使液膜速度增加。而液膜运动速度越大自激振荡频率也就越大。虽然在供应系统中施加激励没有发生"锁频"现象,但是自激振荡的强度在一定程度上减弱,并且伴随着自激振荡的"分频"现象,即自激振荡频率从一个主频向两侧分化为两个主频。     

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

结构参数对敞口型离心喷嘴动态特性的影响

为了研究敞口型离心喷嘴结构参数及工况参数对其动态特性的影响, 以RD120预燃室煤油喷嘴的大致结构尺寸为参考, 设计一组算例进行了计算.计算结果表明:敞口型喷嘴内的流量相对振幅会随振荡频率的增加而下降, 滞后相移随振荡频率的增大而单调增加.压降越大, 流量相对振幅越大, 相移越小.具有较大几何特性A和旋流腔长径比的敞口型离心喷嘴可以阻尼掉更多的流量振荡.敞口型喷嘴的滞后相移会随旋流腔长度的增大而线性增大, 据此可以调节切向入口的轴向间距来滤除某一频率的振荡.      

敞口式离心喷嘴内部及近喷口区域的流动特性

为了深入理解敞口式离心喷嘴雾化机制,基于界面追踪法VOF（volume of fluid）和RNG（renormalization group）湍流模型对敞口式离心喷嘴进行数值模拟,计算结果与PDPA（phase Doppler particle analyzer）及单反相机测得的喷嘴出口速度和雾化锥角一致性较高.清晰地捕获了中心空气涡结构及喷嘴内部的回流区,展现了切向孔与旋流室的交互影响,并着重分析了液膜厚度演变特性及喷嘴内外速度场发展规律.随着喷注压降的增加,破碎长度降低,打开长度及喷雾角增加.揭示了敞口式离心喷嘴独特的流动机制,为喷嘴雾化性能预测及结构优化提供依据.      

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

敞口型离心喷嘴动力学特性理论分析

1引言敞口型离心喷嘴,图1(a),广泛应用于液氧/煤油液体火箭发动机中,如俄罗斯的液体火箭发动机RD120和RD170[1]。在稳态工况下,相对于收口型离心喷嘴,图1(b),敞口型离心喷嘴在雾化质量方面并没有明显的优势,甚至差于收口型离心喷嘴[2,3]。Ba-zarov认为敞口型喷嘴除了起到喷雾和     

Numerical simulation of flow in swirl injector for power-law fluid

In order to investigate the flow characteristics of swirl injectors for gelled propellants, which actually behaved as non-Newtonian power-law fluid, a swirl axisymmetric model was established to solve Navier-Stokes equations and VOF (volume of fluid) equation, and the power-law constitutive equation was used to describe the rheology characteristics of the gelled propellants. The film thickness and velocity distribution in the swirl injector under different flow conditions were studied numerically. The simulation results show that the increased geometry characteristic parameter of the swirl injector contributes to the decrease of liquid film thickness. The liquid film thickness is almost independent of the pressure drop. The rheologic parameters have great influences on the inner flow of swirl injector: by increasing the fluid consistency index K and power index n, both the axial and the swirl velocities decrease dramatically; higher fluid consistency index K and power index n make the liquid film thickness increase. When the viscosity is large enough, the air core in the injector would vanish.      

三组元喷嘴雾化特性的试验研究

三组元喷嘴是气氢／液氧／煤油火箭发动机的重要部件,对４ 种类型的三组元喷嘴进行了雾化特性试验, 研究了喷嘴的雾化特性随各组元喷注压降的变化规律, 分析了喷嘴结构对雾化性能的影响, 比较了相同工况下单喷嘴和三喷嘴的雾化性能, 进行了三组元工况和双组元工况下的雾化特性试验, 试验结果表明同轴离心内混式喷嘴的雾化性能较好。所得结论对三组元喷嘴和气液同轴式喷嘴的优化设计有重要的参考价值     

离心喷嘴脉冲工作动态特性实验研究

双组元推力器在短脉冲工况下比冲出现明显下降。为了从推进剂雾化角度研究其原因,搭建了离心喷嘴脉冲工作冷流实验平台,使用机械式脉动流量发生器使喷嘴工作在脉冲模式。实验中测量了离心喷嘴的动态压降和索太尔平均直径SMD随时间的振荡,并使用高速相机拍摄了喷雾场和喷嘴内部流动的瞬时照片。通过提取图像边界的方法测量了液膜锥角的变化,并计算了一个周期内不同大小SMD时间占比分布。瞬时照片和SMD的测量结果表明,脉冲工作的离心喷嘴在脉冲工作时会出现柱状射流或由调速管效应形成的厚液环,导致喷雾场出现较大液滴。喷雾锥角测量结果表明,脉冲结束后液膜并不随着压降下降而直接收缩,而是继续保持较大锥角一定时间。对SMD的分析表明,脉冲宽度越小,一个脉冲内非稳态喷雾时间占比越大,导致整个脉冲的雾化质量越差。根据本文研究结果,为了提高离心喷嘴窄脉宽工作时的雾化性能,需要尽可能消除柱状射流和调速管效应的影响。     

液体火箭发动机背压振荡环境下的雾化特性研究进展

为加深对背压振荡环境下雾化特性的认识,针对在液体火箭发动机中广泛应用的气液同轴直流式喷嘴、撞击式喷嘴与离心式喷嘴,综述了背压振荡环境下单束液体射流、气液同轴射流、射流撞击以及旋流雾化特性的研究进展,总结了背压振荡影响雾场的主要作用机制,阐述了以往研究中存在的一些问题以及需要突破的若干关键技术难题。通过综述可知,背压振荡主要通过两个方面影响雾场：一是通过改变喷注压降影响喷射,继而影响雾化过程;二是通过振荡的气相流场直接作用于雾场。背压振荡环境下的雾化研究仍需要开展大量工作,且需要突破以下几个技术难点：在试验方面,需要设计可以产生高频率、高幅值压力振荡的反压舱装置,同时对雾场的干扰要降到最小;发展先进的光学诊断方法,可以用于反压舱内雾场信息的提取;在数值模拟方面,需要开展雾化过程的高精度数值模拟,同时研究压力波的产生、发展及演化过程,在这两点基础上研究背压振荡与雾场的相互作用。     

喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响

为了研究喷口长度对离心喷嘴雾化特性的影响，对长喷口离心喷嘴内部流动状况进行了理论分析。采用高速动态测量分析系统，以水为模拟介质，对离心喷嘴流量、液膜展开角、喷雾场轴向速度等参数在不同压降工况下，随喷口长度的变化进行了试验研究。结果表明：喷口长度的增加使离心喷嘴流量增大、液膜展开角减小、喷雾场轴向速度降低；推导了长喷口离心喷嘴流量系数和液膜展开角的经验公式，该公式可供实际工程应用参考。     

高温高压下平板预膜喷嘴初次雾化试验

为了深入探究预膜喷嘴燃油初次雾化机理,试验研究了高温高压条件下不同工况参数对平板预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律.采用高速摄影可视化技术和马尔文粒度仪获取了预膜平板液膜厚度、液膜波动形态以及索泰尔平均直径(SMD)等雾化特性.利用图像后处理技术提取液膜厚度,试验结果表明:液膜厚度随进气压力、进气温度和进口韦伯数的增加而减...     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

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。      

注气离心喷嘴喷注过程稳定性试验

为了解管路注气对补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴喷注过程稳定性的影响，在大气环境下开展了敞口型离心喷嘴注气时喷注过程稳定性试验。使用注气装置在离心喷嘴的上游供应管路中注入空气，通过高速相机记录管路内的两相流特征和喷嘴喷注过程的振荡特征，采用图像区域亮度分析方法定量评估喷注过程的振荡强度。研究发现：注气能显著改变敞口型离心喷嘴的喷注雾化过程及稳定性特征；注气后雾化液膜破碎距离缩短且喷雾角减小，喷注过程出现明显的振荡并伴随Klystron效应；管路内两相流的气泡尺度较大且切向孔较小时，喷注过程的振荡幅值较大；随着注气量增加，喷注过程的振荡频率降低；气泡尺度及两相流型对离心喷嘴喷注振荡过程的影响与普通气泡雾化喷嘴的显著不同，柱状流型时离心喷嘴喷注过程出现1~3 Hz流量振荡且可能间歇性断流。气泡对切向孔的间歇性堵塞作用可能是喷注过程振荡及Klystron效应的原因。     

旋流器型式对空气雾化喷嘴雾化特性影响规律

采用试验与数值计算相结合方法研究了不同旋流器型式对双旋流式空气雾化喷嘴喷雾特性的影响规律.采用粒子图像测速(PIV)测量了不同空气雾化喷嘴下游流场结构,并且采用高速摄影仪和激光粒度分析仪,对不同空气流量和燃油流量下的双级旋流空气雾化喷嘴的油雾场形态、索太尔平均直径(SMD)、Rosin-Rammler分布进行试验研究;...     

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。