缩进长度对液液同轴离心喷嘴雾化过程的影响

为探究缩进长度对液液同轴离心喷嘴雾化锥角的影响,中心喷嘴工质采用N_(2)O_(4),外喷嘴工质采用偏二甲肼(UDMH),通过数值仿真获得了喷嘴内部流场的细节特征以及缩进数N对喷嘴雾化锥角的影响规律。结果表明:当N<1时,喷嘴的雾化锥角呈现先增后减的趋势;当N>1时,喷嘴的雾化锥角略微增大;当N=0时,UDMH与N_(2)O_(4)液膜之间会形成低压区,使得UDMH液膜张角减小,N_(2)O_(4)液膜张角变大,并在液膜末端贴合在一起,最终雾化锥角为外喷嘴与中心喷嘴雾化锥角的中间值;当N>0.85时,UDMH与N_(2)O_(4)会在缩进室内部发生明显的掺混,液膜变形程度加剧;当N>1.27时,缩进室会对内部混合流体起到整流作用,从而使其雾化距离增加。

气液比对液体中心式气液同轴离心喷嘴燃烧过程的影响

为了分析气液比对液体中心式气液同轴离心喷嘴燃烧过程的影响,针对一台采用液体中心式气液同轴离心喷嘴的燃气发生器在不同气液比下进行热试,并对试验结果进行深入分析。结果表明:随着气液比的增加,燃烧过程存在三种状态——稳定燃烧、稳定燃烧过渡到低频不稳定燃烧、低频不稳定燃烧。这种低频不稳定燃烧与供应系统的振荡无关,是由气液比增加造成三岔火焰远离喷注面板,当三岔火焰到达喷雾撞击点后火焰稳定性降低,使得火焰在回流区内前后振荡引起的。

煤油/氧气同轴离心喷嘴燃烧数值模拟

为了更好地了解同轴离心喷嘴的工作特性,基于DDES模型研究了油气比分别为0.5、1、1.5下以煤油/氧气为推进剂的喷嘴的流体动力学特性与非预混燃烧特征。研究结果表明:由于旋流离心作用,在喷嘴出口轴心处和燃烧室顶部分别存在一个驻定涡和角涡,驻定涡径向分布在0.9 R~1.4 R,轴向尺寸在-1 R~14 R,随着燃料流量增大,驻定涡会向喷嘴内部推进,并且径向尺寸也会扩大。燃烧计算结果表明,随着燃料流量增大,推进剂的掺混拖曳区变长、掺混效果变好;而由于油气比的增加,燃烧室更加富油因此燃烧温度有所下降,同时火焰前锋向喷嘴内移。

液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性仿真研究

为了实现对不同工况下液体中心式同轴离心喷嘴液膜破碎特性的数值模拟研究,采用网格自适应加密技术、耦合的Level-set和Volume of Fluid (CLSVOF)方法对气液界面进行捕捉,利用改进延迟分离涡模拟(IDDES)方法模拟湍流。分析了液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度以及流场特性。通过观察分析得到:随着气液相互作用的增强,液膜破碎模式依次经历主导表面波发展导致的液膜破碎、Rayleigh-Taylor (R-T)和Kelvin-Helmholtz (K-H)不稳定性引起的液膜破碎,以及气动破碎模式。随着气液动量通量比(Momentum Flux Ratio,MFR)的增大,喷雾锥角和破碎长度逐渐减小且呈渐进趋势,发现无量纲喷雾锥角和破碎长度均与MFR-A成正比例关系。相同液膜破碎模式而不同工况时,主要流场特征一致。

内壁结构对气体中心式同轴离心喷嘴喷雾特性影响

通过改变气体中心式同轴离心喷嘴的气喷嘴内壁结构,分别对平滑内壁(A)、内壁加凹腔(B)和内壁加凸起(C)的3种喷嘴的喷雾特性进行了实验观测,同时为分析气喷嘴内壁结构改变引起的流场变化,在不考虑液相的情况下对纯气相流场进行了三维模拟研究。结果表明:3种喷嘴的雾化锥角均随气体质量流率的增加而减小,随液体质量流率的增加而增大。气喷嘴内壁加凹腔,对喷嘴的雾化锥角、破碎长度以及自激振荡频率几乎没有影响;而气喷嘴内壁加凸起则对喷雾特性有显著影响。相同工况下,内壁加凸起会使气喷嘴出口的引射作用增强,雾化锥角减小,同时气液间更强的相互作用使喷雾破碎长度随之减小。喷雾自激振荡发生时,内壁凸起亦会导致喷雾自激振荡频率随之增大。3种喷嘴的自激振荡频率均随气体质量流率的增加而增大,并对3种喷嘴的喷雾自激振荡诱发及维持机理进行了分析。通过实验探究了不同凹腔、凸起大小对喷雾特性的影响,对于B喷嘴,其喷雾的雾化锥角、破碎长度几乎一致,自激振荡频率亦差别不大;C喷嘴的雾化锥角、破碎长度均小于B喷嘴,且随凸起的增大而减小,而自激振荡频率均大于B喷嘴,且随凸起的增大而增大。

同轴离心式喷嘴火焰结构的转变和迟滞

针对气体中心液体离心式同轴(GCLSC)喷嘴(简称为同轴离心式喷嘴)的燃烧动力学特性,开展富氧气/煤油蒸气同轴离心式单喷嘴实验研究.通过改变氧化剂喷射速度,分别获得了稳定和自发激励条件下的火焰结构、相互转变和迟滞过程.利用高速相机拍摄了火焰的CH^(*)自发光图像,通过离散傅里叶变换(DFT)和动力学模态分解(DMD)方法分析了燃烧流场的空间结构.研究发现:稳定燃烧时,火焰长度较长,CH^(*)自发光紧贴喷嘴出口,火焰结构受反应混合层流动不稳定控制.迟滞区域内,火焰出现抬升,CH^(*)自发光强度沿流向存在两个峰值,主导的不稳定频率较高.不稳定燃烧时,火焰长度显著缩短,且在横向扩展,沿喷嘴周向有部分火焰紧贴喷嘴出口.3种燃烧状态下,DFT和DMD方法得到的空间模态均很相近.发现了螺旋形结构的低频火焰模态,某些工况下会发生对流形式的燃烧不稳定.一阶切向不稳定的火焰模态表现为速度耦合产生的螺旋形不稳定涡结构,二阶切向不稳定的火焰模态表现为压力耦合产生的对称涡结构.

缩进长度对同轴离心式喷嘴燃烧稳定性的影响

针对缩进长度对气体中心液体离心式同轴(GCLSC)喷嘴(简称同轴离心式喷嘴)燃烧稳定性的影响,开展富氧气/煤油同轴离心式单喷嘴燃烧稳定性实验研究。通过改变燃料和氧化剂喷射速度,获得了三种缩进长度喷嘴(8,10,12 mm)的稳定性图或稳定性边界。利用高速相机拍摄了火焰的CH*自发光图像,通过动力学模态分解(DMD)方法分析了燃烧流场的空间结构。研究发现:当氧化剂速度足够高时,三种缩进长度喷嘴均出现了不稳定燃烧。燃料速度≤11 m/s时,滞后区域较窄或不存在,燃料速度>11 m/s,滞后区域变宽。10 mm缩进长度喷嘴的稳定性边界最大,滞后边界在燃料速度≤11 m/s时最大。相比稳定燃烧状态火焰长度,发生不稳定后,火焰长度显著缩短,且在横向扩展。三种缩进长度喷嘴在稳定和不稳定燃烧状态下,CH*自发光均紧贴喷嘴出口,说明燃烧在缩进室内部便已开始。一阶切向不稳定对应的DMD模态应为流向涡和角向涡耦合产生的螺旋形不稳定涡结构。

气液同轴双离心式喷嘴宏观雾化特性实验研究

为掌握燃气轮机燃烧室喷嘴的雾化规律并优化其雾化效果,本文以液态水为工质,对新型气液同轴双离心式喷嘴雾化特性展开实验研究。利用粒子图像测速法研究了改变气、液进口压力对雾化液滴速度场、雾化锥角和液膜破碎长度的影响,通过分析雾化图像对喷嘴的雾化机制进行探究。结果表明,液体进口压力不变时,气体进口压力增加可使雾化状态由空心锥状向实心锥状过渡,同时液膜破碎依次经历了表面波主导破碎、波动雾化破碎以及气动雾化破碎三种模式。液体进口压力为0.7MPa时,气体进口压力增大,雾化模式由表面波破碎向波动雾化破碎过渡,雾化液锥收缩,液膜受气动力作用向下游展开,液膜破碎长度呈先增大后减小的规律。雾化处于气动雾化破碎模式时,雾化锥角逐渐稳定。对喷嘴下游40mm处液滴速度值分析表明,随着液压增大,有/无气旋对雾化液滴速度增幅稳定在8%。

同轴离心式喷嘴燃烧稳定性增长率识别

为确定同轴离心式喷嘴燃烧不稳定的线性增长率,基于随机动力学Fokker-Planck体系系统识别方法,利用脉动压力时间序列识别喷嘴4种工况下的增长率,并分析了结果的不确定性和参数敏感性。结果表明:变换脉动压力的单位进行识别,增长率不变,饱和系数和噪声强度存在确定的变换关系,且三者的识别精度不变;负增长率的声模态在噪声作用下也可能发生较大幅值的压力振荡;增加脉动压力采样时间可以提高增长率的识别精度,不同工况下存在各自较优的采样率。从脉动压力时间序列线性增长阶段识别增长率同样需要考虑噪声导致的不确定性。

同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性对比实验

对液体中心型同轴离心式单、双喷嘴喷雾特性开展了实验研究。采用高速摄影捕捉瞬态喷雾过程,通过Matlab程序获取了相应雾化锥角并与单喷嘴进行对比;采用激光粒度仪测量了双喷嘴近场区域液雾索泰尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD),借此分析了单喷嘴与双喷嘴雾化锥角产生差异的机理。结果表明:随着气液比的增大,双喷嘴较单喷嘴的雾化锥角增加;双喷嘴间形成的复杂湍流区致使喷嘴间索泰尔平均直径小于喷嘴外侧;喷嘴间粒径较小,易受到湍流区的卷吸作用,致使两喷嘴内侧喷雾锥角增大。

燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响

基于液体喷嘴动力学理论,对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析,推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明:混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加,后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大,随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变,说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。

喷注压降对液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响研究

为了研究不同喷注压降下液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的变化规律,采用高速摄像机观测喷雾形态。试验结果表明:内、外喷嘴单独工作时,喷雾锥角随着喷注压降的增加而增加。内、外喷嘴同时工作时,喷雾锥角随内喷嘴喷注压降的增加而减小,随着外喷嘴喷注压降的增加而增加。通过与内、外液膜同向旋转时喷雾锥角的变化规律对比,发现内、外液膜的旋转方向对外混式液液同轴离心式喷嘴喷雾锥角的影响不大,因为离心式喷嘴产生的锥形液膜的切向速度会很快转化为径向速度。由于液膜切向速度迅速转化为径向速度使得内、外液膜反向的动量转变为同向动量,从而造成利用角动量守恒来预测喷雾锥角的理论模型用于计算反向旋转的外混式喷嘴时存在较大误差。对于内、外液膜反向旋转的外混式喷嘴,由于液膜旋转方向对喷雾锥角的影响不大,可以按照同向旋转的公式进行计算。

氢氧同轴离心式喷嘴自激振荡数值研究

在某氢氧液体火箭发动机热试车过程中出现了燃烧不稳定现象,初步分析由气液同轴离心式喷嘴自激振荡引起。为获得超临界工况下气液同轴离心式喷嘴自激振荡特性,采用氢氧作为工质,通过RNG k-ε湍流模型、Volume of Fluid气液两相流模型以及Peng-Robinson状态方程进行数值仿真研究。喷嘴流场周期性变化过程以及不同工况参数下自激振荡幅频特性变化规律表明:超临界工况下自激振荡主频由液膜周期性挤占气体通道产生,频率高达5kHz以上;次要频率由不同振荡源产生,包括涡系脱落和进动涡核(Precessing Vortex Core)脱落。当氢氧气液动量比很低时,喷嘴自激振荡基本消失,随着气液动量比增大,自激振荡频率和强度均有所增加,但气液动量比增大导致液膜形态发生改变时自激振荡频率出现陡降。

液液同轴离心式喷嘴喷雾过程研究进展

内部流动主要研究了流量系数、液膜厚度和气核半径,分析了内部流场,少量研究涉及内外喷嘴液膜互击、液膜表面波振幅和频率等方面。液液喷嘴外部液膜流动及喷雾特性的研究开展较多,观测了不同工况、结构参数下内外液膜流动形态,少数学者使用理论方法分析了液膜破碎机理。对喷雾特性的研究主要是获得了喷雾锥角、破碎长度、液膜振荡频率等的变化规律,并进一步研究了SMD、液滴速度、混合特性等的变化规律。

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。

液液同轴离心式喷嘴动态特性理论研究

为了研究液液同轴离心喷嘴的动态特性,通过理论方法建立了同轴喷嘴中内喷嘴、外喷嘴的传递函数。其中内喷嘴传递函数参考了Bazarov的喷嘴动力学理论。基于非定常伯努利方程,结合压降振荡条件下喷嘴内液体不同速度分量变化量之间关系的分析,推导了外喷嘴的传递函数。通过将内外喷嘴独立的传递函数相结合,获得了同轴喷嘴总流量振荡以及氧燃比振荡的幅频特性。对一具体同轴喷嘴进行了计算,结果表明,内喷嘴在计算频率范围内会出现敏感频率点。在压降振荡同相位情况下,高频时内外喷嘴之间流量振荡相位差较大。通过仅改变内喷嘴或外喷嘴切向孔的数目,对氧燃比1.65,富燃及富氧三种同轴喷嘴整体动态特性进行了分析。三种同轴喷嘴的计算结果中均发现了新的敏感频率点。

气液同轴离心式喷嘴非定常喷雾燃烧过程研究进展

由于气液的相互作用可显著提高喷嘴的雾化性能,气液同轴离心式喷嘴被广泛应用于实际的双组元液体火箭发动机型号中。喷嘴负责推进剂的喷注及雾化过程,其工作过程极大地影响着燃料的蒸发、混合及燃烧过程。本文从喷嘴内部的非定常流动过程、动态雾化过程、破碎雾化机理以及喷雾燃烧过程这几个方面对气液同轴离心式喷嘴的非定常喷雾燃烧过程进行了综述,对研究现状以及下一步的研究方向进行了简单的分析。总体看来,气液同轴离心式喷嘴缩进室内部的非定常流动过程研究较为匮乏,对液膜破碎雾化过程及雾化特性对外部扰动的响应认识不足,自激振荡产生机理还没有形成统一的认识,锥形液膜在气体作用下的雾化机理研究非常欠缺,不稳定燃烧机理还需深入探究。

同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度评估

为评估同轴离心式喷嘴燃烧稳定性裕度,开展了两种不同缩进长度喷嘴的稳定性试验研究。试验中燃料流量不变,逐步增加氧化剂流量,两种喷嘴在相同的混合比(2.28)发生振荡燃烧,均对应燃烧器第二阶纵向声模态频率。喷嘴A(缩进长度8.5mm)和喷嘴B(缩进长度12.5mm)最高振荡幅值对应的混合比分别为2.28和2.81。基于二阶非线性耦合振子模型,利用喷嘴稳定燃烧阶段的压力数据,分别从频域和时域识别系统衰减系数,发现两种方法得到的衰减系数在数量上一致,验证了两种分析方法的等价性。喷嘴A在不稳定发生前衰减系数突然增大,喷嘴B衰减系数呈递减趋势,不稳定发生时降到0.03以下,说明衰减系数可以评估喷嘴的稳定性裕度,但需要考虑噪声相干共振等非线性现象的影响。

同轴离心式喷嘴热声不稳定性递归分析

为获得同轴离心式喷嘴燃烧动力学特性,开展了喷注单元稳定性试验研究。试验中燃料流量不变,随氧化剂流量增加,热声系统依次经历了燃烧噪声状态、阵发状态和准周期振荡状态。采用递归方法对实验结果进行分析。首先,利用交互信息法和虚假最邻近法分别求解最优延迟时间和嵌入维数,获得了典型工况下的相空间轨迹图。其次,递归图分析表明系统出现了第II类阵发现象,意味着系统发生了亚临界Hopf分叉,与实验结果一致。最后,递归量化分析表明,确定率可以将阵发状态和准周期振荡状态与燃烧噪声状态区分出来,并可以对热声振荡进行预报。

同轴离心式喷嘴热声不稳定性递归网络分析

为获得同轴离心式喷嘴燃烧动力学特性,开展了喷注单元稳定性试验研究。试验中随着混合比的增加,系统依次经历了燃烧噪声状态、阵发状态和准周期振荡状态。采用递归网络方法对实验结果进行分析,获得了典型工况下的网络拓扑图。燃烧噪声状态体现出随机特征,阵发状态体现出中央聚集和极限环边界特征,准周期振荡状态体现出宽边界圆环特征。利用网络全局测度对系统动力学状态转变过程进行量化估计,发现聚类系数、特征路径长度、介数中心性、网络直径、全局有效性、同配性等均可作为同轴离心式喷嘴燃烧动力学转变过程的表征指标。