偏二甲肼液滴燃烧特性及影响因素实验研究

设计了一套密闭环境液滴燃烧实验系统,开展了不同实验工况下偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)环境中的着火燃烧实验,详细分析了UDMH单液滴着火燃烧特性,考察了燃烧室温度、压力、液滴初始直径及速度对燃烧过程的影响。结果表明,液滴燃烧经历了初始燃烧阶段,剧烈燃烧阶段和熄燃阶段3个过程。其中,初始燃烧阶段和熄燃阶段的持续时间均较长。燃烧过程中,燃烧火焰呈现出明显的双火焰峰结构,内层为规则的椭圆形分解火焰峰,外层为带有尾迹火焰的扩散火焰峰。增加燃烧室温度促使液滴表面与内部的燃料快速蒸发,形成了充足的燃料蒸气环境,有助于液滴的着火燃烧;燃烧室压力的增加加快了反应速度,减少了液滴生存时间;增大液滴下落速度导致液滴表面蒸发流率得到增强,更易产生足够的燃料蒸气,促进燃烧的进行,从而有助于液滴生存时间的减小。     

冻细雨分布匹配的量化评估方法

为实现过冷大水滴（Supercooled large droplet,SLD）结冰条件中冻细雨结冰条件的精细化匹配,本文通过分析美国联邦航空管理局颁布的14CFR25附录O中给出的冻细雨液滴尺寸分布,提出了冻细雨分布匹配的量化评估方法。该评估方法引入标准化质量分数概念,计算测量值与冻细雨液滴尺寸分布之间的匹配偏差因子,采用Rosin-Rammler分布函数构建最优匹配累积分布函数,以此作为匹配偏差最小阈值,量化评估液滴尺寸匹配程度。基于新型喷雾测试平台和自研的空气辅助雾化喷嘴Model 1和Model 2,采用该方法对冻细雨条件开展匹配和评估研究。研究结果表明：针对冻细雨（水滴中值体积直径（Median volumetric diameter,MVD）<40μm）条件,液滴尺寸分布匹配偏差最小阈值Fc=11.82%,Model 1+Model 1和Model 1+Model 2组合匹配偏差因子F分别为24.08%和22.02%,匹配程度均评价为“中等（Fair）”。针对冻细雨（MVD>40μm）条件,液滴尺寸分布匹配偏差最小阈值Fc=3.76%,Model 1+Model ...     

燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的研究进展

随着高超声速飞行器的发展,未来高性能动力装置的燃烧室温度和压力将越来越高,当燃烧环境达到超临界时,液态燃料的蒸发和燃烧过程将涉及高梯度传热传质和临界相变等复杂因素,使得雾化、蒸发和燃烧规律发生改变。本文对燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的相关研究进行了综述,总结了已有的重要研究成果,阐述了研究中急需解决的关键问题,为后续深入研究提供参考。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术,对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟,揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时,射流会随着时空演化逐渐失稳,而当大于临界值时,表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构,在其表面留在冲击凹痕;随着波节振幅不断增大,液膜发生穿孔式破裂,进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动,从而减缓射流的雾化进程;射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小,且两者存在相互耦合。     

掺混长直链烷烃对航空煤油雾化性能影响

将藻基生物航空煤油加工过程的中间产物C13~C18分别与航空煤油按10%比例进行掺混,对掺混燃油的喷雾雾化性能进行了对比研究。结果表明:随掺混直链烷烃碳数增加,对燃油喷雾雾化影响逐渐增大。其中按10%比例掺混直链烷烃C18:雾化锥角最大减幅为5.07%;液滴平均速度最大变化17.6%;索泰尔平均直径最大变化15%;Ohnesorge数和韦伯数随着喷射压力增加而明显变化,会对液滴二次破碎产生影响。总体来说,加入长直链烷烃会对航空煤油的雾化性能产生一定的影响。      

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为,及其对发动机燃烧和传热的影响,进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验,使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况,包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度,证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果,分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型,并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析,通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比,验证了该模型具有更高的准确性。     

考虑自然对流的厚交换层液滴蒸发模型及其检验

两相模型对航空发动机燃烧室数值模拟的准确性至关重要,液体燃料的蒸发特性是两相模型的一个关键因素,为了得到准确合理的两相模型从而为燃烧室的设计提供依据,采用悬滴法实验研究了甲醇、煤油及航空煤油液滴在静止环境下的高温蒸发现象,并得到了液滴蒸发速率随环境温度的变化规律。比较实验数据与已有液滴蒸发模型计算结果,发现二者具有较大差距,分析认为已有模型应该考虑静止环境中自然对流对液滴蒸发的影响。在前人工作基础上,用考虑自然对流浮升力因素的厚交换层理论对静止环境下液滴的高温蒸发进行理论推导,得到新的蒸发模型。采用本文实验结果及文献液滴蒸发实验数据对新模型进行了检验。对于甲醇和煤油,在本文的实验工况下,新模型计算结果与实验结果具有较好的一致性,与实验的相对偏差不超过20%;对于煤油,新模型计算结果与文献实验结果的相对偏差不超过10%。     

亚/超临界环境下航天煤油液滴燃烧理论研究

目前大推力液氧煤油火箭发动机稳定工作时燃烧室达到超临界环境,而现有的液滴蒸发燃烧模型仅适用于亚临界环境,无法用于超临界环境。建立了亚/超临界环境下煤油液滴燃烧仿真计算模型,开展了亚/超临界环境下环境参数对煤油液滴燃烧特性的影响研究。结果表明:随着环境温度的升高,火焰温度大幅增加,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。随着环境压力的增大,煤油液滴燃烧的无量纲火焰半径减小,火焰温度小幅度增大,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。压力振荡环境下,煤油液滴燃烧的液滴蒸发速率、无量纲火焰半径和火焰温度随时间变化曲线的振荡频率与环境压力振荡的频率一致,火焰温度对环境压力振荡尤为敏感。     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

来流条件对微燃烧室中庚烷燃烧特性的影响

为了通过改变来流条件提高微燃烧器中火焰的稳定性,使用液体正庚烷作为燃料,在内径为4mm的微燃烧室中,对不同庚烷流量和氧气浓度下庚烷液滴的燃烧特性进行了实验研究。结果表明,固定当量比为0.9,庚烷流量由10μL/min增大到30μL/min时,点火时间缩短,液滴滴落并形成液膜,液膜对点火以及稳定火焰有利。固定来流速度为0.33m/s时,加入氧气后,火焰出现瞬时喷射现象,但火焰不会熄灭。增加氧气浓度可以缩短点火时间,增强火焰稳定性。随着氧气浓度的增大,火焰长度总体上先增大后减小。燃烧声振呈现出低频特性,氧气浓度为0.46时声振最为强烈。