氢氧同轴式喷嘴流量特性试验和理论分析

介绍了氢氧直流同轴式喷嘴结构参数对流量特性的影响的热试验研究结果,并采用一维数值分析模型计算了结构参数对喷嘴流量特性的影响。结果表明:计算结果与热试数据相吻合。喷嘴结构参数变化将引起喷嘴压力损失变化,并导致喷嘴流量特性发生变化;氢氧喷嘴流量系数随缩进深度增大而减小;氢喷嘴流量系数随环形间隙增大而减小,氧喷嘴流量系数则反之。      

叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究

为了研究转速、压比、雷诺数对叶型喷嘴流量系数及盖板式预旋系统温降的影响,介绍了在压比1.1～1.5,转速0～10kr/min条件下稳定运行的预旋系统旋转实验台。通过实验测量预旋系统内的温度和压力分布,对比分析了两种叶型预旋喷嘴(叶片式喷嘴和叶孔式预旋喷嘴)的性能差异,并采用数值计算揭示喷嘴流动损失及预旋系统温降机理。结果表明,叶孔式预旋喷嘴与叶片式预旋喷嘴流量系数均随压比的增大而增大;随雷诺数的增大先逐渐增大,当Re2×105,流量系数基本不变。系统温降效率随着压比的增大逐渐增大;压比1.5时,温降随转速增大先增大后减小,存在一个极值。叶孔式预旋喷嘴流量系数与叶片式喷嘴流量系数相差不大,约为0.95;但叶孔式喷嘴可以减小端壁二次流损失和尾迹损失,降低喷嘴出口落后角,提高喷嘴出口旋转比和系统温降效率。压比1.5,转速8.1kr/min时,叶孔式预旋喷嘴系统温降效率比叶片式喷嘴的提高了40%。     

氢氧发动机气液同轴式喷嘴流量特性研究

从实验和理论两个方面对氢氧发动机气液同轴式喷嘴的流量特性进行了研究。通过冷流实验测量了具有不同喷嘴缩进比的气液同轴式喷嘴流量随气液喷注压降的变化规律，考察了喷嘴内气液相互作用对喷嘴流量特性的影响，结果表明，气液相互作用对喷嘴气液流量都有一定影响，并且喷嘴缩进比愈大，影响也愈大。同时还提出了一个简化的气液同轴式喷嘴流量计算模型。理论与实验结果的比较证明了模型的合理性和可用性     

同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度评估

为评估同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度,开展了两种不同缩进长度喷嘴的稳定性试验研究。试验中燃料流量不变,逐步增加氧化剂流量,两种喷嘴在相同的混合比（2.28）发生振荡燃烧,均对应燃烧器第二阶纵向声模态频率。喷嘴A（缩进长度8.5mm）和喷嘴B（缩进长度12.5mm）最高振荡幅值对应的混合比分别为2.28和2.81。基于二阶非线性耦合振子模型,利用喷嘴稳定燃烧阶段的压力数据,分别从频域和时域识别系统衰减系数,发现两种方法得到的衰减系数在数量上一致,验证了两种分析方法的等价性。喷嘴A在不稳定发生前衰减系数突然增大,喷嘴B衰减系数呈递减趋势,不稳定发生时降到0.03以下,说明衰减系数可以评估喷嘴的稳定性裕度,但需要考虑噪声相干共振等非线性现象的影响。     

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。     

燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响

基于液体喷嘴动力学理论,对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析,推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明：混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加,后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大,随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变,说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。     

煤油同轴喷嘴超临界燃烧与火焰特性实验研究

为研究煤油同轴离心喷嘴的超临界燃烧与火焰特性以及缩进比对燃烧及稳定性的影响,在煤油超临界条件下进行了不同缩进比喷嘴的燃烧实验,实验采用单喷嘴矩形燃烧室,空气和氧气混合物以气态从同轴喷嘴的中心喷嘴喷注,煤油以液态从同轴喷嘴的离心喷嘴喷注,实验利用采样频率为36k Hz的彩色高速CCD相机成功观测到煤油超临界燃烧现象。煤油同轴离心喷嘴超临界燃烧火焰总体呈圆柱射流状;缩进比较大喷嘴的火焰图像中,喷嘴出口为半透明的"稠密"气状射流,未观测到明显的雾化破碎过程;喷嘴缩进比为1.62时火焰较窄且出现火焰团间歇性脱落情况;缩进比对燃烧和燃烧稳定性均有影响,存在相对最佳值使燃烧较稳定。     

液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性的实验研究

对液体火箭发动机气液同轴式喷嘴声学特性进行了深入的实验研究，确定了不同缩进比的气液同轴式喷嘴工作时发生啸叫的参数范围、啸叫的频率和声压级分布，并考察了啸叫对喷嘴雾化特性的影响。结果表明；气液同轴式喷嘴的啸叫区间与喷嘴的结构尺寸有密切的关系．较大的喷嘴缩进比对啸叫有明显的抑制作用，啸叫的主要成分是高频噪声，这种喷嘴啸叫可能成为诱发发动机高频不稳定燃烧的重要因素。另外，实验还发现，在较低的气体喷注压降下，啸叫对喷嘴雾化有一定的强化作用。     

气液同轴喷嘴缩进室动态特性均相流模型

采用频率法对气液同轴喷嘴缩进室内气液两相流动态特性进行了分析.采用均相流模型,在把液相介质参数看作集中参数的条件下讨论了缩进室边界压降振荡对液相质量流量振荡的动态响应.通过对模型喷嘴算例编程进行计算,结果表明:随着扰动频率的增加,缩进室两端压降振荡的振幅增大,压降振荡与液体流量振荡之间的相位差也增大.较小长径比的缩进室以及较小的液体喷嘴质量流量、大气液比和高反压可以抑制缩进室边界压降振荡.      

速度比对气-气喷嘴燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的气-气喷嘴,开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴的热试试验研究。通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究氢氧速度比变化对燃烧效率和对燃烧室热载荷的影响。结果显示燃烧效率受到速度比和推进剂喷射绝对速度的影响;燃烧室热载荷随速度比增大而增大。气-气喷注器的设计应选择小的氧喷注压降和适合的速度比。     

剪切同轴式喷嘴中心管壁厚对火焰的影响

为了研究剪切同轴式喷嘴中心管壁厚度对火焰的影响,针对LOX/CH4火焰,采用数值方法计算了三种不同喷嘴中心管壁厚的长方体形燃烧室内的燃烧过程,计算表明,对于较大的管壁厚度,在紧贴管壁下游的区域将形成较大的回流区,有利于火焰稳定在喷嘴出口处,还给出了采用相同几何结构燃烧室的LOX/CH4燃烧试验结果,试验也得出了同样的趋势,随着中心管壁厚度的增加,火焰中心明显前移。     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

同轴式气-气喷注器混合场影响因素流动显示研究

为了深入理解同轴气-气喷注器气流混合机理,利用粒子图像测速仪(PIV)系统对同轴直流式和同轴离心式气-气喷注器开展了流动显示实验,研究了喷注器关键设计参数对气流混合扩散过程的影响规律.实验结果表明:对于同轴直流式喷注器,氧/氢动量比决定着气流接触面上卷吸作用的大小,动量比越大,卷吸作用越强,混合效果越好;对于同轴离心式喷注器,气流的旋度控制着气流的混合过程,旋度越大,混合效果越好.可以通过减小外环喷注压降或者给中心喷孔一定的缩进距离来增大旋度,增强旋流作用,加强气流的混合.     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

氢氧全流量补燃循环发动机富燃预燃室试验

为了获得全流量补燃循环发动机的富燃预燃室可靠点火、稳定燃烧和均匀的出口燃气,对富燃预燃室头部喷注器排布方案展开了研究。对设计的中心燃烧区和环形燃烧区两种不同头部方案进行了试验,得到了富燃预燃室的压力曲线和预燃室出口的温度分布。试验结果表明:相比中心燃烧区结构方案,环形燃烧区结构方案更容易获得可靠的点火和稳定的燃烧,有更好的燃气均匀度。相比常规的富燃预燃室,全流量补燃循环发动机的富燃预燃室工作温度更低、混合比更小。相比使用液氧的方案,使用气氧的富燃预燃室在启动、关机过程更迅速、平稳。     

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

基于正交设计的气-气喷嘴数值模拟

通过应用正交表安排喷嘴的主要参数以进行设计,并对以气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴进行数值模拟.选择燃烧位置为评价喷嘴性能的参数,研究单喷嘴质量流量、氧喷嘴压降、速度比和氧喷嘴出口角度对喷嘴的燃烧位置的影响.通过对数值模拟的结果的极差和方差分析表明:增大流量使推进剂的燃烧位置远离喷注面,流量是对燃烧位置影响程度最大参数;提高速度比使燃烧位置与喷注面距离缩短,而氧压降和氧喷嘴出口角度变化对燃烧位置的影响较小.      

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.      

Experimental study of hydrogen-rich/oxygen-rich gas-gas injectors

Five types of coaxial injectors were investigated experimentally using hot hydrogen-rich gas and oxygen-rich gas, which were respectively provided by a GH2/GO2 hydrogen-rich perburner and a GH2/GO2 oxygen-rich preburner. The injectors were the shear coaxial injector, the oxidizer post expansion coaxial injector, the fuel impinging coaxial injector, the central body coaxial injector, and the shear tri-coaxial injector. The characteristic velocity efficiency and the combustor＇s wall temperatures were obtained for different design parameters through the experiments. It can be con- cluded that angles of the oxidizer post expansion and the fuel impinging have little influence on the combustion performance and the wall temperatures. The contact area between fuel and oxidizer and the mass flow rate have significant impacts on the combustion performance. The shear tri-coaxial injector has the best combustion performance but also the highest wall temperatures among the five types of injectors.