液体火箭发动机离心式喷嘴振荡喷雾特性现状和发展趋势

为加深对振荡喷雾的雾化特性及其与不稳定燃烧的关系的认识,针对低温推进剂液体火箭发动机中广泛应用的气液同轴离心式喷嘴和液液同轴离心式喷嘴,从受激振荡、自激振荡以及喷雾振荡与燃烧稳定性三个方面对研究现状进展进行了综述,总结了以往研究中的成果以及需要克服的关键技术难题,以加深对振荡喷雾及其与燃烧稳定性关系的认识。通过综述可知：对于受激振荡,对于常温常压条件下的供应系统流量振荡引起的前端压力振荡的研究比较充分,但缺少对燃烧室压力变化引起的反压振荡的研究以及超临界条件下喷雾受激振荡的研究;对于自激振荡,研究主要集中在液体中心型同轴离心喷嘴,对于气体中心型同轴离心喷嘴和液液同轴离心喷嘴的研究还较少;光学诊断技术仍难以提取单一的燃烧流场信息。     

气液同轴双离心式喷嘴喷雾特性

采用流体体积方法分析涡流器离心式喷嘴内部流动过程,采用单反相机和相位多普勒测速仪测量离心式喷嘴、气液同轴双离心式喷嘴的喷雾特性。发现涡流器离心式喷嘴内部流动的总压损失主要发生在涡流器槽道入口、收敛段和等直段。等直段使液膜厚度减小,喷雾锥角减小。离心式喷嘴喷雾粒径分布范围沿径向逐渐增加,轴向速度分布范围沿径向先减小后逐渐增加。气液同轴双离心式喷嘴喷雾特性受气液比影响很大,气液比小时旋流空气使喷雾锥角增加,粒径分布范围减小;气液比大时,气体膨胀压缩喷雾,使大液滴能够到达喷雾中心,喷雾外侧为二次雾化成的细小液滴。     

气液同轴式喷嘴雾化特性的试验

通过试验研究气液同轴直流式和气液同轴离心式喷嘴的雾化性能。研究表明:喷嘴出口扩张时可以改善喷嘴的雾化性能;气液同轴直流式和气液同轴离心式喷嘴都存在一个合适的缩进长度,在改善喷嘴雾化特性的同时对总流量影响较小;在相同条件下,气液同轴离心式喷嘴的喷雾性能要优于气液同轴直流式喷嘴的喷雾性能。     

不同结构形式气液同轴式喷嘴的流量特性

本文通过实验方法对两种不同结构形式的气液同轴式喷嘴流量特性进行了研究,重点考察了喷嘴内气液相互作用和环境反压的变化对喷嘴流量特性的影响,研究结果表明同轴离心式喷嘴内气液相互作用比同轴直流式喷嘴内气液相互作用要强。对于这两种喷嘴,反压的变化对气相流量的影响规律相同,而对液相流量的影响规律却不同     

液体火箭发动机气液同轴式喷嘴混合特性实验研究

本文通过实验研究了液体火箭发动机气液同轴离心式喷嘴的混合特性。利用两相探针技术,测量了喷嘴下游喷雾流场中气液流强和混合比分布,考察了喷嘴缩进比和气液喷注压降等参数对混合特性的影响。结果表明,气液同轴离心式喷嘴的缩进比对喷嘴混合特性有较大影响,增大缩进比将导致更窄的气液流强分布和更均匀的混合,而改变气液喷注压降将导致不同的流强和混合比分布规律。     

气液同轴式喷嘴缩进比对雾化细度影响的实验

缩进比是液体火箭发动机气液同轴式喷嘴设计中一个重要参数。本文对缩进比对喷嘴雾化特性的影响进行了实验研究。结果表明;在不同工作参数下不同缩进比的喷嘴,其雾化特性有一定的差别。缩进比对雾化细度的影响不如其对雾化的流强和混合比分布及噪声等的影响明显。在气侧压降较小时,缩进比过大过小都不利于雾化;而在气侧压降较大时,缩进比较大或较小都会对雾化有一定的改善。但当缩进比过大时,气液之间的相互作用会使得液体喷注压降明显地波动。     

气液同轴离心式喷嘴雾化特性实验研究

采用自行设计的两相喷雾实验设备和测量装置,通过ＭＦ激光散射测粒仪,对液氧液氢火箭发动机所用量气液同轴离心式喷嘴后方喷雾液滴的平均直径ＭＭＤ和液滴尺寸分布指数ｎ等雾化特性,进行了试验研究,测量了Ａ型喷嘴在不同气体和液体喷注压降、不同空间位置的喷雾特性。分析了气体喷注压降一定时液体喷注压降对雾化特性的影响规律,以及当液体喷注压降一定时气体喷注压降对雾化特性的影响规律,得出了一些有意义的结论。研完结果对气液同轴离心式喷嘴设计有一定的指导意义。     

数值模拟气/气喷嘴速度比对燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的不同气/气喷嘴得到的燃烧流场,通过求解NavierStokes方程组,对不同燃料与氧化剂速度比下的流动燃烧过程进行了数值计算,计算结果与实验结果吻合。仿真结果表明:增加速度比能使燃烧火焰面提前,燃烧效率变大。如果发动机的长度受到限制,可以适当增加速度比以实现高效燃烧。     

液氧与气氧对空气加热器燃烧流场的影响分析

针对一种基于液体火箭发动机燃烧室结构的空气加热器,采用数值仿真技术研究了加热器内部喷雾燃烧、燃气掺混以及出口流场分布等参数.分析对比了采用酒精/液氧/空气与酒精/气氧/空气两种不同氧化剂物态三组元同轴直流式喷嘴所得到的燃烧流场的区别,并通过改变燃烧室特征长度,分析了两种计算工况的加热器的性能差异.结果表明,喷入氧化剂的物态对燃烧流场影响较大,采用液氧喷嘴的火焰较长,气氧喷嘴的火焰分布较宽,且相对于液氧喷嘴,气氧喷嘴的燃烧室前端回流区由于掺混较多的燃气,导致喷注面板附近燃气温度较高,面板承热压力较大.设计的加热器均可保证两种喷嘴的出口流场品质较高,在保证流场出口品质的原则上,气氧喷嘴的燃烧室特征长度可至少小于液氧喷嘴的1/4.     

三组元喷嘴混合特性的试验研究

本文对四种类型的气氢／液氧／煤油三组元喷嘴进行了混合特性试验, 研究了内喷嘴的缩进长度对同轴离心外混式喷嘴混合特性的影响, 对比了相同的三组元工况下各喷嘴的混合特性, 分析了喷嘴结构对混合特性的影响, 进行了单喷嘴和三喷嘴的混合特性试验, 试验结果表明： 在相同的三组元工况下, 同轴直流式喷嘴的流强分布跨度比同轴离心式喷嘴小。所得结论对三组元喷嘴和气液同轴式喷嘴的优化设计有参考价值。     

同轴环缝气流作用下锥形液膜线性稳定性分析

为了分析气液同轴离心式喷嘴的雾化机理，对同轴气体作用下的锥形液膜进行时间稳定性分析，推导同轴气体作用下锥形液膜的色散方程，建立离心式喷嘴出口参数预测模型，用于数值求解色散方程。结果表明：喷嘴出口液膜厚度随着喷注压降的增加而减小，喷雾锥角、液膜速度和轴向速度随着喷注压降的增加而增大。同轴气体作用下液膜由正弦模式的表面波主导，因为正弦模式的表面波增长率远大于曲张模式的表面波增长率。当环缝气体喷注速度较小时，增加气体速度会减小气液相对速度，从而减弱气液相互作用，使得液膜主导表面波增长率和频率减小、破碎时间和破碎长度增加。而当环缝气体速度超过一个临界值后，随着气体速度的增大，液膜主导表面波增长率和频率迅速增大，破碎时间和破碎长度迅速减小。     

空气/煤油/水燃气发生器点火特性试验研究

燃气发生器是超燃冲压发动机地面试验系统中的关键设备,为提高系统安全性和经济性设计了空气/煤油/水燃气发生器,在富燃状态下进行了一系列点火试验,试验结果表明：该型燃气发生器,实现可靠点火的余氧系数下限为0.51;水的加入使得化学反应速率和火焰传播速度降低,燃气发生器点火和火焰稳定困难,提高余氧系数可以提高点火可靠性。同时水的加入容易引起燃烧不稳定,通过提高余氧系数可消除低频不稳定燃烧。     

空气/煤油/水燃气发生器点火特性试验

燃气发生器是超燃冲压发动机地面试验系统中的关键设备,为提高系统安全性和经济性设计了空气/煤油/水燃气发生器,在富燃状态下进行了一系列点火试验,试验结果表明:该型燃气发生器,实现可靠点火的余氧系数下限为0.51;水的加入使得化学反应速率和火焰传播速度降低,燃气发生器点火和火焰稳定困难,提高余氧系数可以提高点火可靠性。同时,水的加入容易引起燃烧不稳定,通过提高余氧系数来消除低频不稳定燃烧。     

燃气发生器低频非稳态燃烧统计分析

针对冲压发动机地面试验需求,设计燃气发生器,通过试验统计研究其燃烧稳定性特征。结果表明:该燃气发生器发生低频非稳态燃烧的概率为32.7%,存在两种振荡形态。一种存在振荡主频,即低频不稳定燃烧;另一种没有主频,燃烧形态为粗暴燃烧。粗暴燃烧发生概率高且与余氧系数存在较强的相关性,低频不稳定燃烧发生概率低。两种形态的振荡能量分布位置不同。