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。     

数值模拟气液针栓式火箭发动机喷雾燃烧对声学激励的响应

为研究气液针栓式火箭发动机的声学振荡特性并为其优化设计提供指导,加工了具有矩形燃烧室的LOX/GCH₄针栓式发动机,采用Euler-Lagrange方法仿真横向速度扰动产生的声学响应,以期在热试前了解声学激励频率对非稳态喷雾燃烧过程的影响。仿真结果表明,采用的横向速度扰动能在燃烧室内产生同频率的一阶横向声学振荡响应。喷雾燃烧对声学激励的响应强弱受扰动频率与燃烧室一阶横向振荡模态固有频率的相对大小影响较大。当扰动频率与该固有频率相等时,压力和燃烧释热随速度扰动出现同相振荡,压力振荡幅值显著增高导致燃烧室前半段的喷雾和火焰同步摆动;同时,燃烧室内存在扩散燃烧变为预混燃烧的趋势,甲烷在更短的距离内燃烧完全且燃烧室温度趋于均匀。     

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。     

预燃室内气氢气氧射流燃烧过程数值分析

建立了液体火箭发动机预燃室内气氢气氧射流燃烧过程的数学模型,包括燃烧过程控制守恒方程、湍流流动方程和湍流燃烧模型,以及求解控制方程所需的辅助关系式;给出了模拟射流燃烧过程的数值方法。对于给定的预燃室结构型式和尺寸,研究了喷嘴构型和氧的喷射方式对化学反应流场和燃烧性能的影响规律。结果表明,喷嘴构型和氧的喷射方式对流动过程和燃烧性能都有影响,且喷嘴结构的影响较为明显。     

基于非线性动力学的液体火箭发动机高频不稳定燃烧过程

采用非线性动力学方法对液体火箭发动机非线性高频燃烧不稳定工作过程进行了研究。气相控制方程组用欧拉坐标系下的Navier Stokes方程组描述,液相控制方程组在Lagrangian坐标系下进行描述,气、液两相作用通过方程组的源项互相耦合。用高压蒸发理论对火箭发动机喷雾过程进行了描述。采用计算燃烧学的方法对发动机燃烧室内的湍流两相燃烧过程的稳定燃烧状态和高频不稳定燃烧现象进行了数值模拟。通过分析和讨论,得出了火箭发动机高频不稳定燃烧过程的波动过程类似于奇异吸引子的结论。     

高速气流条件下的喷嘴与火焰稳定器匹配特性研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,在二元稳定器气流试验装置中使用拍摄OH基自发光辐射的方法,研究了火焰稳定器与喷嘴以不同间距匹配情况下的燃烧特性,利用气液两相流模型数值仿真手段,分析了试验工况下燃油雾化液滴与稳定器后方油气比的分布情况.通过对比分析认为,高速气流条件下喷嘴与火焰稳定器间距变化对反应流场影响明显,喷-...     

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。     

模型三组元喷嘴雾化SMD变化规律

为了充分研究新型三组元喷嘴的内混腔雾化特性 ,设计了模型喷嘴进行多工况试验。试验发现 ,维持气体或液体压降不变 ,改变另一种介质的压降 ,会得到不同的雾化平均直径随气体压降或液体压降 ,以及气液比ALR的变化曲线 ,这些曲线有着明显的规律。大量试验表明 ,虽然平均直径SMD随气体压降或液体压降的变化曲线明显不同 ,但其随气液比的变化规律却趋于相同     

管道气液固三相流的耦合瞬变模型研究

在管输水力瞬变过程中,管道与流体之间存在耦合互动作用,需要用流固耦合模型来进行描述.针对工程中的多相流动问题,以最常见的气液固三相流为对象,建立了考虑流固耦合效应的水力瞬变模型.通过改变流体中固相或气相的体积分数,模型可适用于气液、固液两相流以及纯液体单相流的耦合水力瞬变,是单相流耦合瞬变模型向多相流耦合瞬变模型的拓展...     

喷注方式对双模态冲压发动机燃烧稳定性的影响

在模拟飞行马赫数Ma=4的直连式试验设备基础上,采用固定几何双模态冲压发动机燃烧室构型,使用液体煤油作为燃料,并用火炬式点火器点火,研究不同喷注方式下的火焰稳定性。试验研究表明:在加热器来流总温、总压较低的条件下,火焰稳定较难实现;煤油喷注方式对双模态冲压发动机燃烧室内燃烧稳定性影响很大。     

燃惰气发生器燃烧室结构优化设计

预惰化主动防、抑爆技术及惰气高倍泡沫应急消防技术是正在研究开发的新型军用油料洞库安全防护技术.惰气的来源制约了技术的开发实施.以燃惰气发生器燃烧室为研究对象,针对现有设计样机体积大、可靠性差及惰气质量较低等缺陷,对其进行了优化设计,在设计中,采用切向弯曲叶片式旋流器作为进风装置,并在火焰筒内采用了多种先进的强化油气掺混燃烧结构,极大地提高了燃烧效率.对优化设计样机的实验测试结果表明优化设计高效合理,满足了应用要求.