液体喷嘴动态特性数值模拟

对直流、离心喷嘴进行了理论分析,采用"频率法"对直流和离心喷嘴的动态特性进行了数值模拟,所得结果表明:增加振荡频率会导致直流和离心喷嘴流量的振幅降低和相移增大,而增大压降则结果相反;在相同工况下,当直流喷嘴增大长径比或离心喷嘴增大几何特性时均会导致振幅降低和相移增大,离心喷嘴喷口长度增大导致相移增大,而对振幅无明显影响。此结果与国外研究结果符合较好,并为进一步开展喷嘴动力学研究奠定了基础。      

液体离心喷嘴喷雾场动态特性的初步研究

为了研究喷嘴的动态特性,建立了喷嘴动态特性试验系统。采用高速动态图象测量设备,以水为模拟介质,对离心喷嘴喷雾场轴向速度、离心液膜破碎距离及表面波波长等参数进行了初步研究。结果表明:在脉动工况下,喷嘴压降及几何特性系数的变化对喷雾场轴向速度及离心液膜相关参数影响较大;所设计建造的试验系统及采用的测试仪器和试验方法可满足喷嘴动态特性研究的需要。      

反压条件下离心喷嘴动态特性实验

喷嘴动态特性的好坏,对液体火箭发动机燃烧稳定性具有重要意义。但由于缺乏高效的外部周期性脉动流量发生器,特别是在高反压环境下,引起管路来流较强振幅的压力、流量脉动变得更加困难。为解决上述问题,研制了利用惯性驱动可在高反压环境下产生强正弦信号的脉动流量发生器,在高反压环境下可激起高达15%以上的压力振幅;通过采用电导法测量离心喷嘴液膜厚度,从而获得脉动流量,分别在反压为0.5、1.0和1.5 MPa的环境下对其不同脉动频率下的动态特性进行实验研究,研究表明：反压的增加对离心喷嘴流量脉动具有抑制作用。对连续的喷雾图像进行互相关处理得到其不同反压环境下的脉动速度场,结果表明：随着环境压力的升高,其喷雾场速度传递函数振幅呈下降趋势,与反压对喷嘴传递函数的影响规律一致。     

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     

离心喷嘴雾化特性的理论计算

本文根据动量守恒原理,分析了离心喷嘴的结构参数与喷嘴雾化特性(流量系数、喷雾锥角等)之间的关系,建立了相应的无粘理论计算模型.理论计算的结果与有关的实验数据相比较,符合程度较好.本文建立的理论计算模型对离心喷嘴雾化特性的研究,具有一定的参考价值.     

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。     

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.      

液体火箭发动机故障特性动态模拟

以某大型泵压式供应系统液体火箭发动机为研究对象, 建立了液体火箭发动机非线性动态数学模型。针对已发生过或可能出现的故障形式, 以阶跃形式输入, 进行了故障状态下动态特性模拟。数值方法用四阶定步长龙格-库塔方法发展而成的自适应变步长龙格-库塔法。计算结果表明, 所建模型较精确合理, 数值方法满足故障模拟的要求。该工作为故障模式提取、监控参数优化选择、基于模型的故障检测与诊断等发动机健康监控问题的研究奠定了基础。      

模型三组元喷嘴流量特性实验

三组元喷嘴内混式外喷嘴与内喷嘴组合形成的内混腔，气氢和煤油在此混合形成两相流，通过对大量模型喷嘴进行实验，详细研究了混合腔的结构参数对于喷射进行其内的气体和液体流量特性的影响规律，以及气体，流体流量特性之间的互相影响规律，实验结果表明：气体和液体流量特性互相影响强烈，多数结构参数对于气体和液体的喷入流量系数影响不明显。     

离心式喷嘴内流场特性的数值模拟

基于单流体模型及气液两相混合分数的概念，建立了离心式喷嘴内流场的数学模型，并进行了数值计算，计算结果给出了离心式喷嘴内部液膜与气涡共存的流场结构及气液交界面的几何形状，计算得到的壁面压力分布、出口处液膜内轴向速度分布以及雾角大小都与实验结果吻合的很好，与常用的跟踪气液界面的ALE方法相比，本文建立的数值模拟方法具有简单，计算量小和易于实现的特点。     

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。     

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.      

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。     

外涵引气双层壁喷油杆冷却特性数值模拟

通过数值模拟对新型加力用外涵引气双层壁喷油杆冷却性能进行了研究.该喷油杆为双层壁结构, 从外涵引气冷却喷油杆.首先对实验油杆冷却性能进行了计算, 并与油杆冷却性能模拟实验结果进行了对比, 两者变化规律基本符合, 表明该计算方法可用.随后用该方法对真实加力室油杆冷却性能进行了计算, 得到该喷油杆在真实加力室4个工况下外套及油杆内壁温度分布及从外涵引气量.数值模拟结果表明该双层壁喷油杆方案可以有效引气和降温, 使得喷油杆在高温的加力燃烧室内能正常工作.      

气助式直接喷射喷油器动态喷雾场数值模拟及试验

为了研究小型飞机发动机气助式直接喷射(air-assisted direct injection,AADI)喷油器喷雾形态及发展规律,采用数值模拟和高速摄影技术对其动态喷雾场进行研究.以锥阀运动的物理学模型为数值计算的移动边界条件,结合动网格技术对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、静动压分布和不同时刻雾化颗粒的空间分布进行动态数值模拟分析.以0.2ms为步长,对3.0ms内不同锥阀开启时刻的喷雾形态、雾化颗粒和贯穿距离进行了试验和仿真对比分析.结果表明:采用CFD仿真模拟技术可对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、压力分布、喷雾形态等参数进行定性分析,有利于揭示喷雾的发展规律,同时通过对喷雾粒径和贯穿距离的定量对比分析,表明了仿真计算的精确性,数值模拟计算与试验结果误差小于5%,满足工程应用的要求.      

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。      

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.      

Periodic atomization characteristics of simplex swirl injector induced by klystron effect

The atomization dynamic characteristics of a simplex swirl injector was investigated experimentally by using a hydrodynamic mechanical pulsator and the shadow photography technique. The frequency response characteristics of the fluid film and atomization fluctuations and their correlations with pressure fluctuations were obtained by using an in-house code of image processing. It is demonstrated that the klystron effect induced by periodic pressure fluctuations results in periodic liquid film fluctuation with large amplitudes, periodic superposition of droplets and reduction of the breakup length. It was found that the atomization of the simplex swirl injector only responds to the pressure fluctuation in frequency range approximately from 0 to 300 Hz, and it is particularly sensitive to pressure fluctuations at frequencies from 100 to 200 Hz. According to this experiment, the responsive frequency limitation is merely affected by injector configuration, rather than the supply line.     

同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟

通过求解k-ε湍流模型的Navier-Stokes方程组,对以气氢/气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴燃烧室流场进行数值模拟研究.结果表明:气-气推进剂在燃烧室内形成两个燃烧面,能在大流量下实现较高的燃烧效率;同轴双剪切喷嘴的氧喷注速度和氢氧速度比是同轴双剪切喷嘴设计的关键参数,氧喷注速度越小使推进剂的燃烧位置越远离喷注面,而氢氧速度比越大使燃烧位置越靠前;与气-液同轴剪切喷嘴相比,同轴双剪切气-气喷嘴的设计可以取较大的氧喷注速度和适合的氢氧速度比.