具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均(URANS)方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有1/4波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型有很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。

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%。

气液同轴喷嘴缩进室动态特性均相流模型

采用频率法对气液同轴喷嘴缩进室内气液两相流动态特性进行了分析.采用均相流模型,在把液相介质参数看作集中参数的条件下讨论了缩进室边界压降振荡对液相质量流量振荡的动态响应.通过对模型喷嘴算例编程进行计算,结果表明:随着扰动频率的增加,缩进室两端压降振荡的振幅增大,压降振荡与液体流量振荡之间的相位差也增大.较小长径比的缩进室以及较小的液体喷嘴质量流量、大气液比和高反压可以抑制缩进室边界压降振荡.

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。

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。

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。

气液同轴式喷嘴声学特性数值研究

采用线性声学理论,将液体火箭发动机气液同轴式喷嘴分别简化为1/4波长谐振管和1/2一波长谐振管,研究得出常温条件下喷嘴长度和入口射流条件对燃烧室一阶切向声学模态的抑制规律。结果表明:当喷嘴一阶纵向模态频率与需要抑制的燃烧室声学模态频率相等时,对于喷嘴入口射流处于壅塞的状态1/4纵向模态波长长度喷嘴的抑制能力最大;反之,1/2纵向模态波长长度喷嘴的抑制能力最大。两种喷嘴的抑制能力均随喷嘴直径增加而增大。研究结果可为喷嘴长度和入口射流条件优化设计、燃烧室声学振荡抑制提供参考。

内直外旋气液同轴式喷嘴流量及雾化特性

针对气体中心直流、液体涡流器离心式内缩进气液同轴喷嘴,采用高速摄影和PDPA测量了其流量和雾化特性。发现在常温常压下,喷嘴流量近似与喷注压降的0.477次方成正比。喷嘴喷雾场为空心锥形,雾化角约为110°,随液体压降增加,雾化锥角增大。液体压降不变,雾化锥角受中心气体卷吸作用随气体压降增加而减小。液膜破碎距离与雾化锥角有关,雾化锥角越大,液膜破碎距离越短,反之亦然。随径向距离增加,雾化液滴轴向速度、径向速度减小,SMD先增大然后略有减小,沿径向呈"马鞍"状双峰分布;随轴向距离增加,粒子轴向速度减小,SMD减小。

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。

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。

气液同轴敞口型离心喷嘴的自激振荡特性实验

为了研究气液同轴敞口型离心喷嘴的自激振荡特性,采用阴影法和动态测量系统开展了常温大气环境中的喷嘴雾化试验。喷嘴自激振荡时,出口附近存在明显的周期性雾化过程,上游瞬态压力形成周期性脉动,压力脉动、噪音和雾场图像频率高度一致,范围约为1583~5634 Hz。通过试验分析了喷嘴流量特性规律,在雾场稳定时和自激振荡时气相与液相相互阻塞均会造成喷前压力升高,液相流量对气相喷前压力影响较大。喷嘴自激振荡频率随气相和液相流量增长,相对液相流量较为敏感,液相流量增至一定临界值,自激振荡消失,而气相流量增长始终伴随自激振荡频率缓慢提高。喷嘴存在自激振荡产生的上下液相边界条件,自激振荡范围随着气相流量增大而变宽,气相对自激振荡起促进作用,而液相阻碍了自激振荡发展。增加内喷嘴壁面厚度时,液膜厚度增加,无量纲气核尺寸减小,自激振荡频率增大。

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。

工作参数对气液同轴离心式喷嘴自激振荡特性的影响

为探究不同反压条件下缩进比和气液动量通量比对气液同轴离心式喷嘴自激振荡特性的影响,采用过滤水和干燥空气作为模拟介质在反压罐内进行试验,通过背景光成像技术获得了喷嘴不同结构和工况参数下的喷雾图像,同时对比分析了自激振荡喷雾和稳态喷雾的动态特性。结果表明:气液动量通量比不变时,低反压、低缩进比工况,喷雾更容易出现自激振荡。缩进比和反压增加均会抑制自激振荡发生。高反压条件下,增加缩进比有利于提高喷雾稳定性,但与此同时喷雾锥角减小,喷雾分布变得不均匀。自激振荡发生时,随着反压增加,喷嘴锥角先增加后减小,且喷雾锥角与自激振荡强度正相关,自激振荡强度最强时喷雾锥角最大。稳态喷雾锥角受反压影响程度较小,但自激振荡喷雾明显受反压影响,液膜先振荡扩张,而后破碎成小液滴再向中心收缩,整个过程周向旋转运动较弱,主要表现为轴向振荡。

气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验.通过试验分析了气核尺寸较大时气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态,与文献中气核尺寸较小时的喷雾形态进行对比发现气核尺寸不同时,该类喷嘴自激振荡的喷雾形态不同,气核尺寸较大时呈“圣诞树”型分布,气核尺寸较小时呈“串”型分布.气核尺寸对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的产生机理有显著影响,由于自激振荡产生机理的不同,喷嘴缩进长度对自激振荡的影响也不同,气核尺寸较大时自激振荡频率随着喷嘴缩进长度呈复杂变化特征,气核尺寸较小时喷嘴缩进长度对自激振荡频率没有影响.气液同轴离心式喷嘴自激振荡频率为2～4 kHz,与燃烧室一阶振型接近,喷雾自激振荡可能会诱发燃烧室不稳定燃烧.

直流式喷嘴开口率声学抑制能力影响

根据喷嘴长度和入口边界条件,将液体火箭发动机气液同轴式喷嘴简化为4类:四分之一波长闭管、二分之一波长闭管、四分之一波长开管和二分之一波长开管。采用线性声学理论对喷嘴入口开口率的声学抑制影响进行了研究,得到了入口开口率声学影响规律。结果表明:在标准长度和最佳长度2种条件下,开口率对喷嘴抑制能力的影响差别很大。合理选择开口率和喷嘴长度能够有效提高喷嘴抑制能力。研究结果可为喷嘴长度和入口射流条件优化设计、燃烧室声学振荡抑制提供参考。

压力振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响

为了研究供应系统振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响,采用水和空气作为模拟介质,开展了室压条件下冷态喷雾试验。通过试验分析了供应系统有/无振荡两种情况下离心式喷嘴的喷雾形态,以及供应系统有/无振荡两种情况下气液同轴离心式喷嘴自激振荡的喷雾形态。发现当离心式喷嘴供应系统振荡时,离心式喷嘴产生的锥形液膜也周期性地振荡,同时出现Klystron效应。液膜周期性振荡以及Klystron效应出现的频率与供应系统振荡频率一致。Klystron效应的出现使得喷雾锥角突然减小,锥形液膜发生折叠。供应系统振荡对自激振荡喷雾形态也有显著影响。供应系统振荡引起的Klystron效应使得液膜锥角减小,从而造成"圣诞树"型自激振荡喷雾上的"树枝"增多,同时自激振荡频率增加。这是因为当速度大的液膜追上速度小的液膜时,就会产生Klystron效应并使液膜速度增加。而液膜运动速度越大自激振荡频率也就越大。虽然在供应系统中施加激励没有发生"锁频"现象,但是自激振荡的强度在一定程度上减弱,并且伴随着自激振荡的"分频"现象,即自激振荡频率从一个主频向两侧分化为两个主频。

液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。

气液同轴离心式喷嘴雾化性能及优化设计研究

以气液同轴离心式喷嘴为研究对象,采用了一种优化后的代理模型和多目标优化算法对该喷嘴关键几何结构参数进行优化设计,得到了一个在低压状态下雾化性能更佳的新结构喷嘴。采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)对喷嘴进行流场分析,并用试验验证了CFD数值模拟的准确性。基于改进鲸鱼算法(Levy-WOA)优化的Kriging模型建立了雾化锥角、液膜厚度、质量流率的代理模型,研究了4个关键几何参数对雾化性能的影响规律。基于代理模型采用MOGWO算法进行多目标求解,得到了一个几何参数最优组合的喷嘴。研究结果表明:Levy-WOA优化的Kriging代理模型具有更高的拟合精度和更低的预测误差,并能有效的预测4个关键几何参数对雾化性能的影响;优化设计的新喷嘴较原始喷嘴,雾化锥角增大了4.829 2%,液膜厚度减小了39.696 0%,质量流率提高了13.084 3%;试验验证新喷嘴较原始喷嘴雾化锥角提高了4%,为其他喷嘴的设计提供了一种新的可行性方法。

自激振荡过程中喷嘴内部扰动的产生及传递机制

气液同轴离心式喷嘴是液体火箭发动机采用的极其重要的喷注单元类型。但其容易产生自激振荡,可能会诱发不稳定燃烧,严重影响发动机的研制,而目前对于自激振荡过程中喷嘴内部非定常流动过程的认识还十分有限。借助试验及数值仿真手段对液体中心式气液同轴离心式喷嘴自激振荡过程中液膜的运动形变轨迹、振荡的产生原因及压力扰动在喷嘴内部的传递过程进行了系统分析。研究发现:喷嘴内部流场的压力振荡是由于缩进室内部液膜的周期性堵塞作用产生的,且振荡最先发生于缩进室内部液膜外侧;此后,压力振荡会以一定的相位差通过气体环缝及内部离心式喷嘴向上游传递,从而引起环缝气体、中心气核压力发生相同频率的振荡;当自激振荡强度足够大时,便会引起集液腔压力振荡,且振荡频率与自激振荡频率一致。