水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性

为研究水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性,在压力水筒中开展了大扩张比锥形喷管的固体火箭发动机水下点火实验,并基于雷诺时均Navier-Stokes（RANS）方法和流体体积（VOF）模型进行数值求解,分析了过膨胀燃气射流与水介质的相互作用过程。研究表明：超声速过膨胀燃气建立射流通道后,射流核心区长度随喷管落压比的减少而减少;射流核心区剧烈振荡,表现为高频的膨胀和收缩,振荡频率随喷管落压比的减小而增加,范围为100~200 Hz;射流边界不断振荡,并伴随波系结构变化,当过膨胀程度较大时,激波进入喷管使其发生流动分离现象,流动分离点周期性往复移动;分离区内压力脉动没有显著的特征频率,主要集中在100~600 Hz的宽频带,锥形喷管水下流动分离的简易判据为喷管出口压力不低于环境背压的0.44倍。     

火箭发动机燃气射流驱动液柱降噪实验

为了研究单兵火箭燃气射流噪声抑制的方法,设计了液体水柱放置在尾管中,采用高速摄影系统观察了高温高压燃气驱动液体水柱在大气环境中的扩散过程,并对气液混合物射流噪声声压进行了测量,对比了有无液体水柱两种状态下射流的测试结果.实验结果表明,在尾管中放置液体水柱后,由于气液之间的相互作用,改变了燃气射流流场结构以及降低了射流特征参数.通过与无液体水柱的燃气射流对比,发现有液体水柱时整个测点区域的噪声声压级峰值均有较大幅度的降低,且地面对声波的反射也减弱,噪声声压级峰值随着测点偏离射流中心轴线角度的增大而逐渐减小.因此,放置液体水柱后起到了明显的降噪效果,在偏离角为45°位置声压级峰值降低了6.4dB,验证了此方案的可行性.      

喷头运动对水下气幕生成特性影响的研究

为了了解充液圆管内喷头运动过程中的气幕生成特性,采用高速摄像技术记录了喷头运动条件下多股燃气汇聚生成气幕过程。在实验基础上,建立了多股燃气射流在受限液体中扩展的三维非稳态数学模型,对实验工况进行了数值分析,气幕顶端扩展位移的计算值与实测值吻合较好。在此基础上,对比分析相同喷射条件下喷头运动与否对水下气幕生成特性的影响,结果表明:喷头运动,抑制了流场回流作用,增强了对气幕前端液体的推动作用,8ms时气幕运动速度由10m/s增大到11m/s;增大了喷头下游流场压力,8ms时运动喷头表面轴向受力增大了18%;降低了气幕顶部中心区域温度,但提高了壁面处温度。     

边界形状对高压受限射流扩展稳定性影响

为了探索整装式液体炮中提高燃烧稳定性的控制方法,探讨了边界形状对高压受限射流扩展稳定性的影响.建立了二维轴对称气液两相湍流模型,对三级阶梯渐扩型、圆锥渐扩型和圆柱型充液室内的燃气射流扩展过程进行了计算.采用高速录像系统,对阶梯渐扩型和圆柱型边界约束下的射流扩展过程进行了观测.计算与实验结果相吻合.研究结果表明,采用阶梯渐扩型边界可提高高压受限射流的稳定性.     

水下超声速燃气射流气泡的生长及压力波传播特性实验研究

为获取燃气射流对上游水域的影响特性,采用燃气发生器和水下实验系统,研究了水下超声速燃气射流的气泡生长及演变过程,以及气泡压力波在水中的传播特性,并研究了压力波在水介质中的衰减规律。研究表明,燃气泡生长和"破碎"伴生着压力脉动在水介质中传播,气泡压力波的能量在水介质中快速衰减。     

三维可压气体射流在液体中剪切稳定性分析

采用时间线性稳定性分析方法，就无限域不可压有粘液体中的可压缩，无粘气体射流流动的三维扰动稳定性分析，研究较全面分析了气体压缩性，液体粘性，表面张力效应，液气密度比以及滑移速度等重要因素对气体剪切流稳定性的影响，结果表明气体压缩性助长气液剪切流动的不稳定性；液体粘性可在小范围内抑制扰动增长；表面张力作用的提高使扰动最大增长率呈线性衰减，在主导波数区域内，液气密度比愈高扰动愈强，而在最大扰动波数限附近，规律趋于相反，气液间的滑移较显著地助长扰动的不稳定。     

液膜射流和圆射流雾化过程的湍流演化特性

利用PIV技术,在相同喷射压力下对分属液膜射流和圆形射流的两种理论喷射类型的典型喷油器———涡旋喷孔和双喷孔喷油器的射流雾化的湍流演化过程进行了测量和分析,研究表明:在整个射流过程中,两种射流的空间相对湍流强度分布比速度分布发散,且集中分布在射流的上下边缘和根部区域;随着喷射时间的延长,射流流场的湍流强度值逐渐增大,且主要分布在涡旋射流的非前锋区域以及双孔射流的非前锋和非中心线区域;喷射开始后1.5ms和4ms时,涡旋射流中心区域的湍流积分尺度分量值较大,分别达到约6mm和7mm的量级,8ms时,涡旋射流流场的湍流积分尺度分布的发散程度比双孔射流明显,且雾化粒子速度方向与积分方向不同时得到的两个湍流积分尺度分量大小以及连续性等分布情况恰好相反;整个喷雾过程,雾化粒子y方向速度分量沿x方向积分得到的湍流积分尺度分量值均小于其他3个湍流积分尺度分量值且分布的不连续性明显。     

圆转矩形喷管射流掺混特性试验研究

本文采用热线风速仪对圆转矩形收敛喷管的射流流场与掺混特性进行了试验研究,测量了喷口下游不同截面上,射流宽、窄对称面上射流的速度、雷诺剪应力、湍流强度,得到其沿径向和轴向的分布规律。发现在径向方向上,雷诺剪应力先增大后减小,最大值出现在射流与外流的交界面附近,湍流强度则逐渐减小;在轴向上,雷诺剪应力在近喷口区存在小幅波动,而后逐渐减小,湍流度则先略有增大而后变化逐渐减慢。射流特性在宽对称面与窄对称面上的分布规律相同。     

交叉射流特性的试验研究

本文研究了稳燃腔中交叉射流两相流动。使用三维激光粒子动态分析仪 (PDA)测量了正三角形截面副射流与主射流速度比为 2 .5时的交叉射流流动 ,获得了粒子湍流脉动强度及粒子在交叉射流尾迹中的浓度分布     

水下超声速气体射流线性稳定性研究

水下超音速气体射流稳定性是水下推进、水下焊接技术研究的焦点领域。通过建立线化小扰动气液混合流体控制方程,开展水下超音速气体射流线性稳定性研究。控制方程的形式表明射流基本流分布(速度与浓度分布)、雷诺数、无量纲密度、无量纲粘度能够影响水下超音速气体射流稳定性。使用Chebyshev配置点法对控制方程进行求解。计算结果表明射流基本流分布以及无量纲密度是影响射流稳定性的主要因素。射流基本流分布越平缓,射流最大扰动增长率越小;无量纲密度越小,即气液密度差越小,射流最大扰动增长率越小。随雷诺数增加,射流最大扰动增长率先减小后增加,当雷诺数大于105时,射流最大扰动增长率趋于常数。对不同无量纲粘度,射流扰动增长率-特征波数曲线高度重合。同时分析了射流不同截面的稳定性特征,计算结果表明射流最大扰动增长率随距喷口距离增加而减小。这些结论有助于理解水下超音速射流物理过程,为实际应用提供理论指导。     

横向气流中液体射流袋式破碎机理

采用高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流袋式破碎过程进行了实验研究。实验所用喷嘴孔径为1.0mm,实验工质采用水。Wea范围覆盖11～23,液/气动量通量比q覆盖11～95。实验中观察了袋的形成及破碎过程。实验发现,袋的触发长度lonset/d与无量纲数In(q/Re)存在线性关系,而袋的触发时间则为常数;对袋式结构的进一步研究得出袋的破碎长度与液体射流速度无关,只与We数有关,且成线性关系,即破碎长度随着We数的增加线性减小。最后还给出了核心射流破碎位置与液/气动量通量比q的关系,无量纲化破碎位置横坐标为常数,而无量化破碎位置纵坐标随着In(q)线性增加。以上结果可以指导实际设计合理安排袋的触发、破碎点位置,改善雾化性能;在数值模拟上能帮助构建精确的初始雾化模型,提高模拟精度。     

低压环境下过热流体喷雾特性实验

为了研究低压环境下燃料的过热度、喷射压力和喷嘴几何结构对喷雾形状和液滴索特尔平均直径等喷雾特性的影响,测量了不同环境压力下的煤油泡点温度,并给出了环境压力和泡点温度的经验关系式。将过热的航空煤油通过直射式喷嘴喷入低压容器中,进行了不同喷射条件下的喷雾实验。使用高速摄影仪和激光粒度仪进行拍摄和测量,得到了一系列的粒子索特尔平均直径数据和喷雾图片。结果表明,过热度的增加、喷射压力的增加和喷嘴长径比的减小都能够改善煤油的喷射雾化效果。     

液体射流撞击液膜振荡行为的实验研究

液体射流撞击过程是液体火箭发动机常见的高效雾化方式。为了进一步探究液体射流撞击雾化过程,采用高速摄像仪和图像处理技术对两股液体射流撞击液膜的振荡行为进行了实验研究,考察了射流韦伯数(21≤We≤1356)和撞击角(2θ=60°,90°,120°)对液膜振荡的影响。结果表明,随着射流韦伯数增大(We250),撞击液膜会从竖直稳定模式转变为振荡模式,促进液膜破裂和雾化。增大撞击角能加剧液膜振荡和增加雾化角。2θ=60°和90°的液膜振荡区间为250We400,2θ=120°的液膜振荡区间为We250,无量纲振幅的时均极大值约为5。结果揭示了随着液体射流速度的增大,射流不稳定性的发展会引起撞击点的动量不平衡,进而形成液膜振荡。此外,液膜向下传播时与空气界面间的Kelvin-Helmholtz不稳定性也促进液膜振荡。     

喷注角度对超声速气流中液体横向射流的影响

为探索超声速气流中变角度组合射流对喷注雾化过程的影响,采用高速摄影和基于KH-RT破碎模型的欧拉-拉格朗日数值仿真方法开展研究,仿真结果和实验吻合较好。研究表明,同一流量下逆流喷注,可以较为有效地增强混合效果,提升射流穿透深度。带扩张型面内液雾穿透深度呈现先增大后降低的趋势。等流量条件下顺流双孔喷注有效截面面积大体一致,略低于单孔直喷。等效流量下逆流喷注所得液雾截面面积收益最为明显。截面平均粒径方面,单孔喷注雾化粒径基本一致,顺流双孔喷雾粒径较小。等压降顺流对喷由于流量较大,雾化质量相对较差,平均粒径最大。     

液体介质柱塞阀内部密封结构的研究

随着飞机液冷系统以及液体介质系统的发展,对柱塞阀的需求日益增长,为满足需要,公司对液体介质柱塞阀开展了一系列的研究。本文以某型号研制的柱塞阀为例,针对用户关注的产品密封性指标,进行了密封结构设计,特别对柱塞阀故障率较高的内部密封结构进行了深层次研究,识别出关键因素,制定了措施,为后续产品的研制提供了可以借鉴的经验。     

中等推力航空发动机喷口控制方法对比研究

为提高中等推力航空发动机工作性能,对其喷口控制方法进行对比分析,并通过台架试验对喷口等落压比和喷口转差控制方法进行试验验证。结果表明:相比于等落压比控制方法,转差控制方法更利于精确调整发动机在节流状态下的性能,且可降低发动机耗油率,更适合作为中等推力发动机的喷口控制计划;对全包线的各典型点进行验证,转差控制方法仍能满足发动机的控制性能要求,且实施方便、效果好。     

液体火箭发动机中频耦合振荡初步研究

为了研究常规液体火箭发动机研制中出现的中频流量型耦合振荡问题,对发动机耦合系统中各环节建立了满足声学分析的线性化频域模型.通过比较供应系统和燃烧室的幅频响应,并分析耦合系统的自由振荡复频率,以判断发动机的耦合稳定性.计算结果符合发动机试车规律,能够有效地反映该类型不稳定的特征.进一步讨论了燃烧时滞、喷注压降、管路长度和安装节流圈对系统耦合不稳定的影响规律,并揭示了该类型不稳定的机理.     

矩形横截面螺旋管湍流流动与传热特性的数值研究

 采用了剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型并考虑近壁低雷诺数的修正对矩形横截面螺旋管内冷却水流动和传热特性进行了数值研究。数值分析了在不同入口雷诺数、曲率半径以及扭距条件下,螺旋管内的温度、速度场以及流线的变化,讨论了螺旋管内、外壁面对流传热系数的差异及产生机理,同时与直通管道传热性能进行了比较。研究发现由于离心力的作用,螺旋管内存在显著的二次流动,管内、外侧壁面对流传热存在差异。旋转一周后,螺旋管即进入了流动稳定状态,入口雷诺数可以显著提升螺旋管整体的对流换热效率,扭矩和曲率对内外壁面传热效果的影响不大,而窄高型的横截面构型可以显著改善螺旋管的传热效果。研究结果对应用矩形横截面螺旋管的冷却设计提供参考。     

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

低温液体冷却剂换热特性研究

通过建立地面环境下低温液体冷却剂在多孔介质内的流动换热模型,以及对液氮在多孔介质内的换热特性进行的数值模拟研究,表明液氮具有很强的换热效能,它能够大大降低接触面的温度,可以解决某些高热流密度区域的散热问题