乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应的试验研究

设计制造了一种旋转式气流换向阀,使用该换向阀能够产生较高频率、较大振幅的压力振荡,在此基础上建立了压力振荡环境下燃料液滴蒸发过程的试验系统,利用高速阴影成像系统对乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应特性进行了试验研究,试验结果表明,乙醇液滴蒸发过程对压力振荡具有快速响应的能力,压力振荡过程中,蒸发速率并不与环境压力的值成正比,蒸发速率的最大值发生在压力下降过程的后期阶段,蒸发速率的大小与压力振荡的频率、振幅有关。

低频压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得运动液滴蒸发过程对压力震荡的响应特性,从宏观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析,压力振荡会引起液滴周围边界层内蒸汽质量分数的振荡,从而引起液滴蒸发速率的振荡。根据折算薄膜理论,提出了折算饱和蒸汽边界层的概念,基于已有的液滴蒸发准稳态模型,建立了压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型,并进行数值求解,结果表明,液滴蒸发过程对低频压力震荡具有很强的响应能力,尤其对压力震荡幅值、频率比较敏感。

运动液滴蒸发时传热传质过程的理论分析

对突然置入气体环境中的运动液滴的非稳态蒸发过程进行了传热传质过程的理论分析,建立了初始瞬间液滴非稳态蒸发的数学模型,并对模型进行数值求解。结果表明,在一定情况下,运动液滴突然置于气体环境中的初始瞬间,由于气液界面上与周围环境之间存在较大的浓度差,使得液滴在初始瞬间的蒸发速率很大,将会使气液界面的温度有所下降,这一温度的下降范围与液滴的初始温度、环境的初始温度以及液滴的运动速度有关。

低频压力振荡环境下静止液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得燃料液滴对压力变化得到响应特性,从微观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析。结果表明压力振荡会导致流场内部力的不平衡,从而会使液滴周围边界层内气体产生周期性流动,以及液滴周围边界层内蒸气质量分数的振荡,最终会使液滴蒸发速率的产生与压力振荡周期相同的振荡。在此基础上,根据流动边界层理论,提出了饱和蒸气边界层的概念,建立了压力振荡环境下静止液滴蒸发的准稳态模型并进行了数值求解,获得了静止液滴蒸发速率对压力振荡的响应特性。

压力振荡环境下液滴非平衡蒸发过程的理论分析及试验研究

对压力振荡环境下液滴蒸发过程进行了理论分析与试验研究。结果表明,压力振荡会引起液滴周围表面边界层内蒸气质量分数的振荡,从而导致由扩散控制的蒸发速率发生振荡。此外,压力下降引起的气相场内力的不平衡会驱动蒸气从边界层内流入气相场,使蒸发速率的最大值出现在压力下降的过程中,试验研究结果和理论分析所得结论吻合较好。

一种高频气流换向阀的设计与性能测试

为了实现气流流向的高频转换,设计了一种高频气流换向装置,该装置采用步进电动机驱动,通过调节电动机的转速来调节气流流动方向的转换频率。通过对该装置的性能测试表明:能够在较高的压力下实现气流流动方向的高频转换,并且具有工作平稳,噪声小等优点。

多组分液滴蒸发过程的理论模型及试验研究

建立了多组分液滴蒸发过程的理论模型,通过该模型计算了不同浓度的酒精液滴在静止环境中的蒸发过程,计算结果与试验结果基本一致。计算和试验结果表明:在蒸发过程中,液滴中酒精的浓度不断下降,受其影响液滴的蒸发速率也不断下降;酒精浓度和环境温度越高,液滴的蒸发速度越快。酒精液滴蒸发过程中,无量纲面积与时间不再是线性关系,这是与单组分液滴蒸发过程的本质区别。

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明:有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。

高温高压环境下煤油液滴蒸发过程实验研究

应用高速摄影系统和图像处理技术研究了煤油液滴在温度473~773 K、压力1.0~4.0 MPa静止气体环境下的蒸发过程,得到了环境温度与环境压力对煤油液滴特性的影响规律。实验结果表明:环境温度低于573 K时,煤油液滴蒸发D2曲线不符合d2定律;环境温度高于673 K低于773 K时,液滴直径变化与d2定律吻合。环境压力对液滴蒸发的影响与环境温度密切相关,环境温度低于473 K时,随着环境压力的升高,液滴蒸发速率变慢;环境温度高于673 K时,随着环境压力的升高液滴蒸发速率加快。

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。

化学反应机理对液氧煤油发动机尾焰红外特性影响研究

提出了一种液氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先采用计算流体力学软件对液氧煤油发动机内流场进行计算,然后以获得喷管喉部截面参数作为入口边界条件计算发动机尾焰流场,最后以发动机尾焰流场参数分布为基础,采用有限体积法对发动机尾焰红外光谱辐射特性和成像特性进行计算,并对比验证了模型和方法的准确性。在此基础上,研究了化学反应机理和复燃反应过程对尾焰红外辐射特性影响。结果表明,采用多步化学反应能够准确模拟液氧煤油发动机内流场,温度相比热力学计算大3.34%,压力相比试车测量大2.89%;考虑复燃反应使尾焰红外辐射强度增强显著,在采用单步化学反应和多步化学反应两种工况下2~5波段红外辐射强度分别增大50%~100%和150%~170%,但不会影响尾焰红外光谱辐射特性和红外总辐射强度随探测角变化趋势;采用单步化学反应和多步化学反应都能够获得清晰结构的红外成像图像,但是前者2~5尾焰红外辐射强度要比后者增大90%~190%,且两种工况下发动机尾焰红外光谱辐射特性差别很大,尾焰红外总辐射强度随探测角变化趋势也不同。

气体中心式离心喷嘴喷雾实验与三维仿真

在实验的基础上,基于RNG k-ε模型对常压下气体中心式同轴离心(gas-centered swirl coaxial,GCSC)喷嘴喷雾形态和破碎模式进行了三维仿真研究。采用网格自适应加密(adaptive mesh refinement,AMR)技术、耦合水平集和流体体积(coupled level-set and volume of fluid,CLSVOF)方法对气液界面进行捕捉。结果表明,液体质量流率(m_(l))不变,随着气体质量流率(m_(g))的增加,中心气流的引射作用增强,液膜内外压差增大,雾化锥角减小,并对其流动特性进行了分析;而m_(g)不变时,液膜在喷嘴出口的径向速度与切向速度随m_(l)的增大而增大,导致雾化锥角增大。同时根据气液质量流率比(gas-liquid mass flow rate,GLR),将喷雾的破碎模式分为穿孔破碎、气泡破碎和气动破碎。

单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析

为掌握喷嘴缩进长度和燃烧室长度对气氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响规律,设计并开展了单喷嘴模型发动机燃烧实验。实验选用了气液同轴离心式单喷嘴,采用中心供应氧气,液体煤油经切向孔沿轴向旋转进入喷嘴的形式,为测试燃烧稳定性,燃烧室和喷嘴缩进的长度分别作为实验变量,利用高频压力传感器采集数据,基于压力信号对实验结果,尤其是呈现的纵向高频燃烧不稳定性现象进行了细致地研究。结果表明:在本文研究条件下,随着缩进长度的增加,对纵向高频燃烧不稳定性产生阻尼作用,但不会消除纵向高频燃烧不稳定。燃烧室的长度在516和356mm之间存在某个值,使得喷嘴缩进长度对燃烧稳定性影响可以忽略。随着燃烧室长度的增加,一阶纵向声学频率逐渐减小,而幅值逐渐增强。出现这些现象的原因是燃烧过程压力振荡与声波存在相位差。此外,燃烧室长度对纵向高频燃烧不稳定性的影响比缩进长度更明显。

喷雾场内液滴粒径光学测试技术进展

雾化场粒径测量对于测试和评价喷雾性能意义重大,总结分析光学粒径测量技术手段十分重要。介绍了喷雾的基本原理及粒径数学表征;论述了喷雾场测试中主流及新兴的粒径光学测试方法如光散射、平面结构光照明、相位多普勒分析仪、激光全息技术、双光谱成像等方法的原理及特点,列举了这些测试方法的典型应用场合。针对喷雾场测试中存在的问题分别进行总结评述并进行对比分析,对喷雾场粒径测量中如何恰当选取测试方法给出具体的参考建议。

气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性研究

提出了一种考虑碳烟颗粒的气氧煤油发动机尾焰红外辐射特性计算方法,首先对气氧煤油发动机纯气相内流场进行计算,然后以喷管喉部作为气体和固体碳烟颗粒的入口边界计算发动机尾焰流场,最后以发动机流场参数分布为基础,采用有限体积法和伪气体理论对发动机尾焰红外辐射特性进行计算。进行了气氧煤油发动机点火实验,并将计算结果与实验结果进行对比分析。结果表明,燃烧室内两个压力测量点的测量与计算误差分别为1.4%和3.4%,燃烧室内计算温度与热力学计算误差为2.16%,证明了燃烧室流场计算模型的准确性。含有碳烟颗粒的尾焰流场计算结果与热像仪测量结果比较吻合,证明了尾焰流场计算方法和模型的准确性。4.3μm波段尾焰红外成像计算结果与工作在4.3μm波段的红外热像仪测量结果吻合比较一致,证明了尾焰红外辐射特性计算方法和模型的准确性。

小型气氧/煤油火箭发动机试验及内流场数值模拟

火箭发动机热试车过程中测量手段有限,为了详细展示试验发动机内流场各参数分布特征,指导发动机气膜冷却设计,针对热试车工况分别采用单步总包反应和9组分14步的化学反应模型进行三维数值计算。两种化学反应模型的计算结果对比显示,内流场压强分布基本相同且与试验测量值一致;内流场的温度和组分分布存在较大区别;单步化学反应内流场温度值比多步化学反应内流场温度值高;燃烧室高温区主要集中在燃烧室收敛段与喉部之间,验证了设置N2膜冷却系统的必要性,数值计算结果可以为气膜冷却系统的设计提供指导。

螺旋离心式喷嘴雾化特性试验与仿真研究

为了研究螺旋离心式喷嘴液膜形态及锥角变化规律,运用高速摄影仪与VOF方法对该型喷嘴进行了不同喷注压降及不同背压下的雾化特性试验与数值仿真研究。试验与数值仿真结果分析表明:提高喷注压降能明显加剧液膜一次破碎,缩短破碎长度,而提高背压对二次破碎的影响更明显,更有助于改善雾化效果;随着喷注压降与背压的提高,液膜锥角均逐渐增大,但改变背压对液膜锥角的影响明显小于改变喷注压降;液膜锥角沿轴向增大且变化率逐渐减小,最后锥角基本保持定值。数值仿真所得到的液膜形态及锥角与试验结果吻合较好。

基于激光的燃烧场温度诊断方法综述

在燃烧相关的研究中,温度场、速度场、组分场、压力场的时空分布特性非常重要.为了计算热传导、热对流和热辐射或捕捉火焰区域,最直接的方法是获取燃烧场的温度.近年来,基于激光的非接触诊断技术快速发展,Rayleigh散射温度测量、激光诱导荧光、激光诱导磷光、Raman散射测温法、相干反Stokes Raman散射、简并四波混频、可调谐二极管激光吸收光谱等技术已经被成功地应用在温度诊断研究中.文章综述了上述激光测温技术的基本工作原理和应用条件,为从事相关领域工作的研究人员提供一定的参考.

气体高温辐射特性窄谱带模型参数库构建

不同推进剂火箭发动机尾焰中主要辐射气体组分不同,采用谱带模型法精确快速求解不同推进剂火箭发动机尾焰红外辐射特性,需要构建描述气体辐射特性的谱带参数数据库。提出了一种谱带参数库构建方法并开发了计算程序,以HITEMP2010数据库为基础构建了波数间隔5 cm-1、温度间隔100 K的CO_2和H_2O谱带模型参数库,通过与实验测量对比吸收系数分布特性、与逐线计算法对比透过率分布特性验证了所提出模型和开发程序的准确性;在此基础上,分别以HITEMP2010和HITRAN2012数据库为基础构建了辐射气体CO、OH、NO和NO_2的谱带模型参数数据库,并结合逐线计算法对比分析了不同温度下、不同光学行程下透过率分布特性。

驻波声场对层流火焰燃烧的影响

设计了常温常压下驻波声场环境火焰燃烧的实验系统,将层流火焰放置在压力波节与压力波腹两者之间,通过调节扬声器发声分贝数和火焰位置,并采用高速摄影进行拍摄,开展了驻波声场对层流火焰燃烧影响的实验研究。结果表明:驻波声场的压力波腹和压力波节之间存在声辐射压力,影响火焰的燃烧进程;当火焰处于压力波腹与压力波节之间并且声场达到一定分贝时,火焰形态出现指向压力波腹的偏转,沿着压力波节至压力波腹火焰偏移角度逐渐减小,处于压力波腹处时,声辐射力消失,火焰恢复原样;此外,声压振荡增强了燃烧过程中的传热传质,促进了燃烧。