基于VOF方法分析离心式喷嘴结构参数对性能影响

基于两相界面追踪流体体积(volume of fluid,简称VOF)方法模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,在数值方法可靠性验证基础上,得到了15个喷嘴构型的流量系数、液膜厚度以及雾化锥角.定义无量纲影响因子η,比较喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响程度.除了喷嘴直径和旋流室直径外,重点研究了出口扩张角、等直段长径比等结构参数的影响,通过与试验相对比,综合以往经验公式,得到如下结论:增大旋流室长度,能够增大雾化锥角;在喷嘴出口增加扩张角,能够显著地减小液膜厚度,减小雾化锥角;增大切向口距喷嘴顶部距离,能够改善喷嘴性能;切向口个数和等直段长度对喷嘴性能影响不大.该工作为下一步优化喷嘴构型打下了基础.      

某燃气轮机空气雾化喷嘴的试验研究

进行了某型燃机空气雾化喷嘴燃油喷雾特性的试验研究。得到以下结论：在油压不变的情况下,雾化锥角总是随着空气压力的增加有所减小,索特尔平均直径SMD随之迅速减小,整体减小幅度大约在10-30μm;气压不变时,雾化锥角和索特尔平均直径随着油压的增加而稍有增大;当气压为0.3MPa时,索特尔平均直径基本都保持在30μm以内。     

某重型燃气轮机压力雾化喷嘴性能试验研究

研究了某重型燃气轮机燃油喷嘴特性。通过全面试验,得到了该喷嘴组的供油特性、喷雾锥角的变化特点和液滴尺寸及其分布规律;对雾化粒度试验数据进行了拟合,得到了SMD与供油压力的简明关系,基本可以代表该喷嘴组的雾化质量。     

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.     

某重型燃气轮机燃料喷嘴工作特性试验研究

对某重型燃气轮机燃料喷嘴的工作特性进行了试验研究.主要测定了该燃机喷嘴组在1.0MPa压力下工作时每个喷嘴的流量特性,通过数码照相和计算机图像处理测定各喷嘴的喷雾锥角,利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)和激光多普勒测速仪(LDV)测量雾化粒度SMD.分析试验结果,得出了一些有重要价值的数据和结论,为燃机喷嘴的研制和改进提供了重要依据.     

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。      

燃油温度对离心式喷嘴雾化性能影响

以离心式压力雾化喷嘴为研究对象,对不同压力下燃油温度对航空煤油雾化特性的影响进行了实验测试和数值模拟研究,获得了燃油在喷嘴内的流动特性及温度、压力对燃油雾化特性参数的影响规律。实验研究了燃油温度变化范围在-20 ℃至50 ℃的雾化特性,数值模拟对燃油温度在-50 ℃至50 ℃范围内喷嘴内燃油的流动特性及燃油的雾化特性进行了数值模拟。结果表明:燃油压力对雾化特性影响不大;在所研究的温度范围内,温度增加会导致雾化角增大、索太尔平均直径（SMD）减小、周向分布不均匀性增大,在-20 ℃升至50 ℃时SMD由45 μm降低到30 μm;油膜厚度会随燃油温度的降低而增厚,有利于提高燃油周向分布均匀性,但会导致雾化液滴直径增大。     

双路离心喷嘴雾化特性的PDPA实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究。PDPA可直接测得测点处的喷雾液滴的尺寸分布和速度大小,并据此求出了测点处的索特尔平均直径SMD和液滴的平均速度。在喷雾锥三个横截面上进行了测量,得到了SMD的空间分布,据此得到了喷雾锥的锥角,并与光学照相和计算机图像处理测得喷雾锥角进行了对比。实验结果表明：液滴尺寸随着供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度时,液滴尺寸趋于不变;当主、副油路分别单独工作时,随测量横截面与喷口之间距离Z的增加,SMD减小;在供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离X的增加SMD值变化不大;喷雾锥角基本不随供油压力改变而变化。     

双路离心喷嘴雾化特性的实验

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究,得到了索太尔平均直径(d₃₂)的空间分布和喷雾锥角.实验结果表明:液滴尺寸随着供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度,液滴尺寸趋于不变;当主、副油路分别单独工作时,随测量横截面与喷口之间距离Z的增加,d₃₂减小;在供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离X的增加d₃₂值变化不大;喷雾锥角基本不随供油压力改变而变化.      

离心式喷嘴雾化参数的计算

根据液膜破碎的线性稳定性分析的结果及离心式喷嘴锥形液膜破碎长度的经验公式,由离心式喷嘴的结构参数和简化的流动模型,计算确定锥形液膜破碎厚度hb,进而计算索太尔平均直径SMD。计算结果与实验及有关经验关系式计算的结果相符合。本文所提出的计算方法可用于离心式喷嘴雾化参数的预估。      

加力用扇形喷嘴雾化特性试验

根据加力燃烧室内锥凹腔点火与联焰要求,设计了扇形喷嘴并开展相应的雾化试验,研究了供油压差、扇形角度及扇形出口高度等参数对流量特性和雾化特性的影响以及加力环境下横向气流的温度、速度和供油压差对索太尔平均直径(SMD)及穿透深度的影响。采用称质量法测量流量系数,利用马尔文粒度仪和高速摄影仪对下游SMD、雾化角度及穿透深度进行测量。结果表明:①供油压差增大,流量系数先减少,后稳定;②供油压差一定,扇形出口角度越大,流量系数和雾化角度也越大;③扇形出口高度增加,雾化效果变好;④出口位置对雾化特性影响不大;⑤供油压差越大,穿透深度越大,SMD减小;⑥横向气流速度越大、温度越高,穿透深度越浅,油雾场越靠近下游;⑦横向气流温度越高, SMD越小。     

离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴雾化特性研究

对一种组合式的离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行研究.双旋流器采用旋向相同的径向开孔式设计,在常温常压下试验,研究不同空气压力降和喷嘴供油压力工况下液雾的索太尔平均直径及分布指数.试验中以航空煤油为介质测试其雾化性能,采用马尔文激光测雾仪测量喷嘴下游50 mm处的液雾分布.结果表明:随着空气压力降和喷嘴供油压力的增大,索太尔平均直径减小,分布指数增大,推导了在空气压力降Δp/p＞3%和Δp/p＜3%两种工况下索太尔平均直径计算模型.      

高扰动燃油喷嘴雾化试验

为改善航空发动机的燃油雾化、验证高扰动雾化方案应用于航空发动机燃油喷射的可行性,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)及高速摄影技术,对不同夹角、不同孔径结构条件下的V形交叉孔高扰动喷嘴和单孔喷嘴的喷雾场粒子特性进行了测量。结果表明:随着供油压差增大,雾化锥角随之增大,索太尔平均直径(SMD)值随之减小;交叉孔结构对燃油雾化有明显促进作用,在相同的供油压差、出口截面积条件下,交叉孔的雾化锥角更大,SMD更小;在SMD相同时,交叉孔所需的喷射压力远小于圆直孔;随着交叉角的增加,雾化锥角、SMD均有明显改善;采用空气辅助能够有效增大雾化锥角、降低SMD值,但改善效果随气压增加而逐渐减弱。与传统单孔喷孔方案相比,高扰动喷孔能够在相同压力条件下极大的改善燃油雾化效果。      

自由旋涡气动窗口喷管设计研究

根据超声速自由旋涡气动窗口的实现原理以及相关气动设计理论,推导出气动窗口的质量流率公式,得到影响气动窗口质量流率的几个因素,研究了自由旋涡气动窗口喷管设计过程,利用特征线方法设计非对称喷管,得到气动窗口的喷管型面。最后对气动窗口喷管进行了初步数值模拟,模拟结果表明利用特征线方法设计喷管是可行的。     

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。     

基于壁面压力分布的非对称喷管反设计

针对目前非对称喷管的设计方法上的缺陷,给出了通过指定壁面压力分布规律来反设计其膨胀面型线的方法,获得了膨胀面型线反设计程序,并结合优化算法寻找综合性能较好的喷管壁面压力分布.将采用该方法设计得到的喷管模型与最大推力喷管进行了对比研究.结果表明:在设计点,该喷管的推力系数比最大推力喷管只降低0.102%,而升力和俯仰力矩分别提升2.295%和15.774%.验证了设计思想的正确性,为非对称喷管的设计提供了一种高效的设计方法.      

双预膜式Hartmann哨超声波喷嘴设计及特性实验研究

为了满足先进航空发动机燃烧系统对燃油雾化质量的要求,设计了一种双预膜式Hartmann哨超声波喷嘴,采用激光粒度分析仪和高速相机对其进行了实验研究,得到了其流量特性和雾化特性。研究结果表明：在满足流量要求下,索太尔平均直径SMD为4.2μm～9μm,气液比ALR为0.27～0.54,液滴尺寸分布集中,均匀性好;在测量范围内,SMD基本不受测量位置到喷嘴出口距离的影响;油压和共振腔到喷嘴出口距离是影响SMD大小的主要因素;雾化角度随油压的变化较小;共振腔到喷嘴出口距离是影响雾化角度的主要因素,雾化角度为135°～180°。     

某型喷口加力调节器减压比特性改进设计

为解决某型喷口加力调节器在配装发动机使用过程中存在的涡轮落压比偏离设计值问题,对一维定常可压缩拉瓦尔喷管的气体流动状态进行了理论分析计算,从涡轮落压比的连续性工作要求分析了拉瓦尔喷管正常工作的使用条件,提出了空气减压器二级减压拉瓦尔喷管扩张段流道形状的改进设计方法,并通过了发动机试验验证,结果表明:空气减压器只有在超临...     

离心喷嘴喷口结构参数对雾化性能的影响分析

为了提高航空发动机离心喷嘴的雾化性能,优化喷嘴喷口结构参数,基于两相界面追踪流体体积（volume of fluid,简称VOF）方法对离心喷嘴进行了仿真分析,并通过实验验证了VOF方法的可靠性。采用正交试验方法完成以喷嘴出口直径、出口直管段长度、扩张角、扩张段长度为优化参数,以雾化锥角、液膜厚度和流量系数作为雾化性能指标的试验设计。通过极差方差分析讨论各个参数对雾化性能指标影响的显著性并利用回归分析得到规律曲线,获得最佳参数组合。结果表明：4个结构参数中扩张角是对喷嘴雾化性能影响最大的因素;扩张角和喷口直径的增大可以明显地增大雾化锥角,减小液膜厚度和流量系数;扩张段长度的增加会使雾化锥角减小但会使液膜厚度和流量系数也减小;直管段长度的变化对各指标的影响不大;当扩张角θ为60°、出口直径D为0.6mm、出口直管段长度L1为0.3mm、扩张段长度L2为0.4mm时,雾化性能最佳。