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。     

横流中喷雾掺混流场结构研究

为了获得有限空间内喷雾在横流影响下的掺混发展及机理,应用PIV系统测量了单个旋流雾化喷嘴产生的喷雾在横流中的掺混流场,实验在矩形通道内实施。获得了3种喷嘴入射角度和3种液气动量比下的掺混截面流场结构。结果表明,由于射流撞击、剪切和壁面约束作用,流场中形成前缘涡和反旋涡对,反旋涡对对掺混起了主要作用。比较不同喷嘴入射角度和液气动量比下的流场结构发现,随喷雾入射角度减小,两相作用提前发生,且反旋涡对尺度小,更利于掺混均匀;随液气动量比减小,气相作用增强,旋涡强度和尺度变小,更小的涡尺度更利于液滴均匀分布。     

直射式气动雾化喷嘴对燃烧室性能的影响

为了深入分析燃油喷嘴对燃气轮机燃烧室性能的影响，针对燃气轮机燃烧室中的直射式气动雾化喷嘴开展了数值模 拟，获得了气流流量、燃油流量和气液比对雾化性能的影响规律，喷嘴的雾化性能参数包括雾化粒径和雾化锥角。结果表明：气液 比和气流流量对该型喷嘴的雾化性能有显著影响，燃油流量对雾化性能的影响较小；气液两相间相对速度是影响该型喷嘴雾化性 能的决定因素，相对速度增大有利于减小雾化粒径，并增大雾化锥角；气流流量和气液比的增大均有利于雾化粒径的减小，燃油流 量的增加将使雾化粒径增大；增大气流流量、气液比和减小燃油流量均可使雾化锥角增大；该型喷嘴的雾化锥角变化范围为 30.12°～41.24°，雾化粒径变化范围为131.46～ 186.52 μm。喷嘴可实现在较小的雾化锥角变化范围内获得较宽的雾化粒径变化， 以此匹配燃气轮机燃烧室不同工作状态，具有较高的实用价值。     

密集型空气雾化流场破碎特征数学模型研究

低速液体射流在高速湍流气体作用下的气液同轴射流雾化流场是瞬态密集型喷雾场,高速湍流中影响和控制雾化的因素很多。针对空气雾化流场液核分布与特征进行分析,开发了模拟液核的随机浸入体模型,结合大涡模拟方法对同轴射流空气雾化喷嘴下游流场进行数值模拟。模拟结果与实验结果对比表明：随机浸入体模型可快速捕捉液核的长度和位置信息。当气液动量比M为3~10000时,能够较准确地预测液核长度,当M>10时,其预测结果远优于唯象模型;该模型能够捕捉回流区、大尺度涡等流场结构。同时,可以准确地预测喷嘴附近的液滴粒径,特别是在气流速度较大（>60m/s）时,液滴平均直径预测误差<10%。     

气/液同轴离心式喷嘴流量及雾化特性实验

通过实验方法，研究气／液同轴离心式喷嘴的流量特性及气液之间的相互影响，研究压降及缩进长度对喷嘴雾化特征的影响。研究表明，液喷嘴流量受气喷嘴压降影响，流量增大或减小取决于缩进室内气喷嘴对液喷嘴产生的是引射还是堵塞作用；同一喷嘴，液膜破碎长度及液滴尺寸随压降增大而减小；液滴尺寸分布沿喷嘴横截面呈马鞍型分布，曲线的最高点和分布宽度随喷嘴几何特性及压降变化；提高气／液之间的相对运动速度，可提高雾化质量；随着缩进长度增大，雾化质量明显变好。     

一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾

采用数值和实验方法对一种强剪切空气雾化喷嘴的流场和喷雾特性进行研究.采用粒子动态分析仪(PDA)实验研究了不同气液比下强剪切空气雾化喷嘴的速度场和喷雾场,并对该喷嘴的流场进行了数值计算,所得的计算结果与实验数据比较吻合.研究结果表明:强剪切空气雾化喷嘴的设计合理,两股旋流空气在喷嘴内部完成强烈的动量交换,并对燃油进行了强剪切.强剪切空气雾化喷嘴在宽调节比范围内能够完成良好的雾化,当气液比变化10倍,液雾的索太尔平均直径分布均处于20~60μm之间.随着气液比的增大,线平均索太尔平均直径逐渐减小,推导了适用于该喷嘴的索太尔平均直径计算模型,可为强剪切空气雾化喷嘴设计提供参考.      

燃油喷嘴雾化特性试验研究

为了检验某型航空发动机燃油喷嘴改进设计效果,利用相位多普勒粒子分析仪对燃油喷嘴的雾化性能参数进行试验研究。得到雾化液滴的索太尔平均直径的空间分布、轴向平均速度、脉动速度及其湍流度的分布情况。结果表明:轴向平均速度呈凹盆状分布,脉动速度呈双峰状分布;喷雾中心湍流度大,喷雾边缘湍流度小。随着供油压力增大,在相同测试截面上,喷雾的范围和中心区域粒径变大,边缘位置粒径变小。在相同供油压力下,随着与喷嘴距离的增加,喷雾范围增大,喷雾的轴向平均速度和脉动速度减小,轴向速度的湍流度波动幅度减小。     

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。     

双油路离心喷嘴雾化油滴的平均和脉动速度场的实验

采用相位多普勒粒子分析仪对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化油滴的速度场进行了实验研究,得到了雾化油滴平均速度、脉动速度及湍流度的分布.实验结果表明:供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离x的增加平均速度和脉动速度呈凸形分布而湍流度呈下凹形分布;随着测点与喷口之间轴向距离z的增加,主、副油路共同工作时油滴的平均速度减小而脉动速度和湍流度增大.随着供油压力增加,油滴平均速度增加而湍流度减小.     

基于脉冲数字全息的甩油盘雾化特性

设计搭建离心式甩油盘雾化场测量系统,提出多孔板式抽吸罩防止油雾外溢,仿真计算甩油盘雾化实验器流场,采用脉冲数字全息技术测量了不同转速下甩油盘雾化场雾滴的空间分布,粒径分布及雾化锥角,结果表明:多孔板式抽吸罩抽吸气流径向流速均匀,在甩油盘附近形成的流场速度比雾滴运动速度低一个数量级,对雾化场影响较小;实验甩油盘雾化场雾滴的峰值粒径为20 μm,占比20%~30%,随着转速的升高,雾化粒径索特尔平均直径(SMD)减小,且雾化场沿轴向集中,雾化锥角减小。在同一转速下随着距离喷嘴出口高度的增加,雾化粒径SMD增大,且随着转速的升高,增大的幅度减小。     

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪,采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟,将预测结果和试验值进行了比较,预测值和试验值吻合良好,验证了模型的可靠性。     

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。     

空气助力改善液滴雾化质量的研究

对一种新型的内混式空气雾化喷嘴进行了测量和研究,其目的是探索新型内混式喷嘴在添加空气助力下增强混合改善雾化质量的应用性能。试验采用4组不同几何结构参数的内混式空气雾化扇形喷嘴,通过马尔文激光粒度分析仪测量不同气压、不同水流量等工况参数下雾化液滴索特平均直径（SMD）D32和喷雾锥角等雾化性能参数,并对试验结果作对比分析。结果表明,水流量为定值时,SMD随着气压的增加明显减小,在0．8MPa到达极小值后趋于稳定,喷雾锥角随气压的增大先变大后减小;气压为定值时,SMD随着水流量的减小逐渐减小,喷雾锥角随着水流量的增加逐渐增大;比较不同几何结构参数,#1-2内混式空气雾化扇形喷嘴在4组喷嘴中具有最好的雾化效果,当气压为0．8MPa,水流量为20L／h时,SMD极小值为16μm。     

静电场对轴对称射流雾化效果的影响

设计和组装一台实验装置,研究了柴油通过压缩空气进行喷射时,静电场对轴对称射流液体的浓度分布影响。结果表明：在无电场作用时,随着靶盘距喷嘴距离的增加,液流浓度逐渐减小;当喷雾压力增加时,射流轴线上的液流浓度变化较大;随着距轴心线距离的增加,液流浓度的变化逐渐趋于平缓,最后基本达到稳定。在静电场作用时,随着电场强度逐渐增大,液流的雾化分布与增加空气压力时液流的雾化分布具有基本相同的特点,电场强度对射流轴线上液流浓度的影响最为明显。利用实验结果拟合了液流浓度的准则关系式,得到了无量纲坐标内液流浓度的变化规律,为获得最佳雾化效果的设计提供了参考。     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

燃油在稳定器尾缘的二次雾化研究

本文总结了激光测雾仪测定稳定器尾缘燃油二次雾化分布的结果,描述了其特点,研究了影响二次雾化的主要因素,探讨了稳定器尾缘二次雾化机理及其对燃烧性能的影响。      

气液同轴直流式喷嘴喷雾及燃烧试验研究

介绍了气液同轴直流式喷嘴的冷流喷雾特性实验研究和热点火燃烧试验工作。冷态实验以空气和水作为模拟工质在亚临界条件下模拟燃气和液氧, 研究了气液喷嘴的雾化特性、流量特性和气液两相的相互影响。用液氧和高温燃气对多个喷注单元组成的喷注器在超临界压力下进行了燃烧试验。通过冷态和热态试验, 确定了 4种喷嘴的性能优劣。      

Review of atomization mechanism and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow

The injection and atomization process of a liquid fuel jet is critical for an ignition start of a scramjet engine. Airwall-mounted crossflow injection strategy is widely used in scramjet combustors, avoiding high total pressure loss and allowing the liquid fuel to rapidly undergo atomization, mixing, and evaporation. In this review, research progress on a liquid jet in supersonic crossflow was evaluated from aspects of atomization mechanism and spray characteristics. When a liquid jet is injected into a supersonic crossflow, primary and secondary breakups occur successively. The surface instability of liquid can significantly affect the breakup process. This review discusses the current understanding of the breakup process and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow including the mechanism of atomization and the characteristics of distribution and atomization. The development of windward Rayleigh-Taylor (R-T) unstable waves is the main factor in column breakup. The development of Kelvin-Helmholtz (K-H) unstable waves along the circumferential direction of the jet or droplets is the main factor of surface and droplet breakups. The liquid–gas momentum ratio is the most important factor affecting the penetration depth. The span width of the liquid jet is affected by the windward area. Breakup and coalescence lead to a transformation of the size distribution of droplets from S- or C-shaped to I-shaped, and the velocity distribution of the droplets on the central symmetry plane has a mirrored S-shape. The droplet distribution on the spanwise cross-section retains a structure similar to an “Ω” shape. At last, some promising recommendations have been proposed, namely a theoretical predictive model which can describe the breakup mechanism of a liquid jet, the distribution characteristics and droplets size distribution of a liquid jet under a cavity combustion chamber, especially for enthalpy flows with complex wave structures.     

燃料喷口位置对燃烧室污染物生成性能影响

对一种使用中低热值生物质气的干式低排放（DLE）微型燃气轮机燃烧室开展了研究,对燃料喷嘴口在不同位置时的污染物生成特性进行了实验测试和数值模拟,获得了喷口位置对燃料与空气的混合均匀性、NOx生成特性的影响规律。结果表明:调节燃烧室的燃料分配比例、燃料喷口位置对燃烧室的排放特性会产生影响,存在一个使NOx排放最低的燃料分配比例;燃料与空气混合的均匀性是影响NOx生成的主要因素之一;NOx主要在值班燃烧区中产生,调整值班级喷口喷射方式可以使NOx质量浓度降至7.6 mg/m3。