离心式喷嘴在小尺度受限空间雾化特性的实验研究

为了了解小尺度受限空间中离心式喷嘴的雾化特性,设计了四旋流槽离心式喷嘴和小尺度模拟燃烧室,采用相位多普勒粒子动态分析仪(PDA),观测了喷射压力对模拟燃烧室内雾化性能的影响.引入离散系数cv对喷雾场雾化参数的周向分布规律进行了着重分析.结果表明:模拟燃烧室内,喷射压力越大,液滴索特尔平均直径D32的值越小;在z∈[41.5,94.2]的轴向距离范围内,喷射压力对Vz的影响不明显.由于壁面作用,液滴D32的周向分布均匀性随着径向距离的增加变差;距离喷嘴出口越远处,液滴D32的周向分布均匀性越好.在喷射压力相同条件下,同一喷嘴在模拟燃烧室内雾化参数的周向分布均匀性比在大气环境中波动更大.     

背压对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为研究背压对撞击式喷嘴雾化特性的影响,将压力的变化等效为气体密度的变化,基于一种树形自适应加密算法,通过直接数值求解不可压Navier-Stokes方程组实现了不同背压条件下射流撞击雾化的数值模拟。首先将数值模拟结果与试验数据进行对比,验证数值模拟的有效性,在此基础上开展了高背压条件下雾化过程的数值模拟。结果表明,随着背压的提高,气动力相应增强,液膜的破碎更加剧烈,一次雾化区域的液滴数密度增大,雾场由稀疏向稠密发展;液膜在向下游运动过程中波动速度的幅值逐渐增大,并且随着背压的提高,液膜的波动由线性向非线性转变;背压增大导致破碎长度减小,经过参数修正得到了液膜破碎长度的经验公式,并与试验数据进行了对比;背压对液滴尺寸分布规律没有显著影响,但随着背压的提高,同一时刻大液滴所占的比例提高,整个雾场的Sauter平均直径有增加的趋势,当背压从0.1MPa增大到1MPa时,雾场的Sauter平均直径由155.5μm增大到166.9μm;背压增大,液滴粒径分布的均匀度指数减小,液滴尺寸分布更加不均匀。     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

模拟空间环境下射流雾化特性实验

为了深入研究空间环境下液体工质的喷射雾化特性,搭建了空间环境模拟实验系统,综合研究了真空环境下饱和蒸汽压、喷嘴直径、雷诺数和溶气等对液体射流雾化特性的影响。试验结果表明:闪蒸是真空环境下射流雾化的主要因素,射流雾化过程中闪蒸强度主要由工质饱和蒸汽压决定;喷嘴直径主要通过三方面的影响对射流雾化起作用:流动状态、湍流强度和气泡生长周期;雷诺数对真空雾化的影响主要涵盖以下三点:出口速度、流动状态和闪蒸过程;溶气对射流雾化有明显的影响作用,影响途径是通过气泡的不稳定生长和微爆作用。     

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。     

撞击角对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为了研究液体火箭发动机中撞击式喷嘴的雾化问题,采用CLSVOF(Coupled Level-Set and Volume-of-Fluid Method)方法对撞击式喷嘴的雾化过程进行了数值仿真模拟,重点考察了撞击角对撞击式喷嘴雾化特性的影响。结果表明,通过CLSVOF方法能对射流撞击雾化形态进行较好的捕捉;分析整个雾化区域的液相分布,将射流撞击雾化过程中的液相分布大致分为三个区域:撞击前两股独立射流区域、撞击后形成的液膜区域、液膜破碎后液丝和液滴的生成区域;射流撞击雾化除了气液界面上速度差引起的不稳定之外,还存在由射流湍流或撞击波引起的其它不稳定因素;液膜破碎长度随撞击角的增大而减小,液膜表面上的表面波幅值及液膜破碎程度则随撞击角的增大而增大;射流撞击在撞击点位置处所形成的速度差对液膜的破碎和液膜上表面波幅值的大小起到了关键作用。     

靶式喷嘴雾化特性实验研究

对靶式喷嘴雾化特性用三维相位多普勒粒子分析仪进行了实验研究。测量结果显示,该靶式喷嘴雾化效果较好,喷雾中心粒度较小,粒度随气液质量比增大呈减小趋势,重力对喷雾场粒子速度分布有一定的影响。     

两股互击式喷嘴雾化研究及应用

用激光全息及图像处理技术,研究两股互击式喷嘴的撞击状况及雾化性能,获得了喷嘴的雾化性能参数,在喷嘴的水试雾化性能、热试燃烧效率及比冲对比后,提出用水试雾化性能评估其热试效果,检验喷嘴的加工质量。此技术已用于小推力发动机喷嘴的筛选。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。     

两种小尺度旋流杯方案的喷雾特性研究

为了获得小尺度旋流杯及其改进型的喷雾特性,采用PDA(Particle Dynamics Analyze)测量系统进行了实验研究,测量了单头部和三头部情况下的流场和喷雾场。结果表明:小尺度旋流杯的流场和喷雾性能对结构尺寸的变化非常敏感,相比于原方案,改进方案显著改善了该旋流杯的喷雾特性。尺寸效应对小尺度旋流杯的影响很大,在单头部受限与不受限两种情况下,改进方案的喷雾锥角相差约10°~15°,且受限条件更能反映旋流杯的实际喷雾特性。三头部时旋流杯的流场、雾化特性与单头部基本一致,单头部受限空间实验基本能够反映旋流杯的流场及雾化特性,但在实际环形燃烧室结构中还需要考虑喷雾间的影响。     

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

凝胶一甲基肼/四氧化二氮雾化特性试验研究

为了研究凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)的雾化特性,在单喷嘴矩形燃烧室内进行凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的可视化试验研究。试验采用两股燃料撞击一股氧化剂(F-O-F)及两股氧化剂撞击一股燃料(O-F-O)的三股互击式喷嘴,试验时先关闭中间路推进剂,采用高速摄影观测了两侧推进剂90°自击雾化图像,随后观测了燃烧条件下凝胶MMH/NTO三股互击时液相推进剂的雾场阴影图像,通过图像处理,分析了喷嘴类型及射流速度对雾化锥角及破碎长度的影响。结果表明,凝胶NTO自击雾化时雾场以细小液滴为主,而凝胶MMH黏度较高,雾化较困难,自击雾化时雾场主要是液膜和液丝,故可推断燃烧条件下凝胶MMH/NTO液相推进剂雾场阴影图像里观察到液膜和液丝主要是凝胶MMH推进剂;与90°两股撞击喷嘴相比,F-O-F形式三股互击式喷嘴的能量利用率较低,采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化锥角小于凝胶MMH推进剂90°自击雾化;相对F-O-F形式三股互击式喷嘴,凝胶MMH/NTO采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时的雾化锥角更大,破碎长度更短,故采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化性能更优。     

直射式喷嘴流动特性的数值和试验研究

加力燃烧室喷油杆多采用直射式喷嘴,为进一步分析影响喷油杆通流能力的因素以及喷嘴内部燃油空化的问题,进行了数值和试验研究。选取了Schnerr-Sauer、Singhal 及Zwart-Gerber-Belamri三种空化模型进行比较后,采用Schnerr-Sauer空化模型进行计算,对喷嘴的流量系数、空化区域以及空化源进行了数值模拟,对2种典型直射式喷嘴进行了试验分析。结果表明：喷孔长径比、开孔位置对流量系数影响较大,喷孔前加过渡段能够起到一定的稳流、消除空化的作用,在喷孔大锐角入口处形成明显的空化源,空化体积分数随压力、壁厚和入口段变化,进一步计算发现当进口倒角为30o～45o或者圆角,倒角比W/D=0.2左右时能有效抑制燃油空化。     

中心分级燃烧室预燃级的喷雾特性研究

为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°～70°,随着燃油流量和空气压降的增加,喷雾锥角增大,燃油分布范围更广,液滴数量增加,直径随之变小。预燃级的中心回流区宽度仅为20mm左右,一直延伸进套筒内,最大回流速度约为10m/s。燃油流量的改变对流场的影响十分微弱,而空气压降的增加能够明显增加流场速度和回流强度,但是工况参数的改变并不会改变回流区位置和流场结构。燃油流量的减小和空气压降的增加都会使雾化索太尔平均直径(SMD)减小,但相比之下,空气压降对雾化水平的影响更大。在各头部空气压降下,雾化SMD随着气液比(ALR)的增加而减小,但随着ALR的继续增加,平均SMD变化曲线变平缓。     

空化对燃油喷嘴雾化的影响

燃油喷嘴内的液体流动在一定条件下会形成空化,进而影响喷嘴的雾化效果。应用高速摄像仪对圆形喷嘴内的空化以及喷口外的雾化进行了实验研究。实验所用喷嘴直径包括0.5mm,1.0mm,1.5mm和2.0mm,其中直径为1.5mm的喷嘴的长径比从2变化到9,实验工质为纯净水。实验发现,喷嘴内空化的形成是动态的,空化长度出现高频低幅脉动。对于喷嘴的收缩类型研究发现,急收型相比渐收型更易形成空化,并有增强雾化的效果。长径比相同的喷嘴,直径越大,达到超空化的喷射压力越大,雾化锥角也越大;直径相同的喷嘴,随长径比的增加,达到超空化的空化数逐渐减小,但射流的喷雾锥角没有明显的变化趋势,均在10°到20°之间。对比破碎模式规律,除了0.5mm的喷嘴外,所有喷嘴达到超空化后均为雾化模式。     

互击式喷嘴燃烧室燃烧效率实验

为了获得凝胶推进剂火箭发动机高效燃烧室的设计参数,依据推进剂特性,设计了7种不同结构的燃烧室,通过实验手段,研究了燃烧室特征长度、喷嘴孔径和推进剂物性等参数对燃烧效率的影响。结果表明:增大燃烧室的特征长度,增加了推进剂的停留时间,有利于推进剂充分雾化和燃烧。减小撞击孔径,提高了射流的剪切速率,降低了推进剂的粘性,可以改善雾化和燃烧效率。为了提高含碳凝胶推进剂的燃烧效率,需减小碳粒粒度或者增加燃烧室特征长度。     

推力室涡流冷却技术试验研究

涡流冷却是一种新型液体火箭发动机推力室冷却技术。在理论分析和数值计算的基础上,设计了采用气氢/气氧作为推进剂的试验用涡流冷却推力室,进行了多次冷流试验和点火试验。在不采用其它冷却措施的情况下,完成了工作时间为20s的点火试验。试验结果表明,涡流冷却推力室工作稳定,气氧形成了有效的冷涡流,圆筒段外壁面温升为5K,部分气氧形成的气膜也对喷管形成了有效的保护。     

基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa~0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。