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。

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50~60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。

直流自击式喷嘴雾化特性研究

直流自击式喷嘴广泛应用于液体火箭发动机喷注器,但对于其雾化机理及特性的研究基本上都是建立在冷态试验和发动机热试车的基础之上。从喷嘴射流的受力分析着手,建立了射流破碎的物理模型,计算中考虑了影响该型喷嘴雾化特性的主要因素,并与相关实验结果进行了对比分析,说明了该物理模型具有一定的参考价值。该模型可以在燃烧流场计算时作为雾化初始条件使用。

某直流喷嘴喷射雾化过程的数值模拟

针对废水回收喷射闪蒸过程中的气液两相喷射雾化过程,采用数值模拟方法研究某直流式喷嘴的喷射规律和雾化特性。建立液态水-不同结构喷嘴的物理模型,研究喷嘴的喷射规律及其影响因素,获得不同运行条件下的液滴扩散范围和运动轨迹。研究结果表明:相较于改变进口压力,改变喷嘴结构对喷射规律的影响更大。随着喷孔直径的增大,喷雾液滴速度与含水率逐渐增大,且当孔径增大1倍时,速度提升65%,含水率提高61.5%;随着表征喷嘴结构的无量纲数值β增大,喷雾液滴速度与含水率呈现逐渐增大的趋势,且当β值增大2倍时,速度提升85.4%,含水率提高45.5%。速度与含水率的衰减趋势均随孔径与β值的增大逐渐变缓,喷射角和含水量面积随之增大。研究结果为提高回收燃煤发电机组中废水的效率和优化喷嘴结构提供了理论依据。

自燃推进剂直流互击式喷嘴高压燃烧试验

为指导高室压液体姿轨控发动机推力室喷注器设计,采用铬青铜热沉燃烧室开展了四氧化二氮/一甲基肼(NTO/MMH)直流互击式喷嘴高压燃烧试验研究,获得了混合比、孔径比、鲁泊数、撞击角、燃烧室压力等参数对特征速度和燃烧效率的影响规律。试验结果表明,随着混合比、孔径比、鲁泊数或撞击角的增大,实际特征速度和燃烧效率均呈现出先增大再基本保持不变最后减小的趋势;随着燃烧室压力的提高,实际特征速度和燃烧效率先明显增大后基本保持不变。当混合比在1.71~2.31、孔径比在1.2~1.4、鲁泊数在0.68~1.28、撞击角在70°~80°及燃烧室压力高于3 MPa时,燃烧效率可达0.97~0.98的较高水平。

气氢/液氧同轴喷注单元细节对燃烧特性的影响

为了研究气氢/液氧同轴直流式喷嘴的结构参数细节对燃烧特性的影响,对单喷嘴燃烧室的燃烧流场进行了数值模拟。重点研究了氧喷嘴缩进深度、氧喷嘴出口壁厚和氢氧喷注速度比3个参数对燃烧效率和稳定性的影响规律。研究表明:上述喷嘴结构参数细节是影响气氢/液氧同轴直流式喷嘴燃烧特性的重要因素,其中适当提高氧喷嘴缩进深度或氢氧喷注速度比对燃烧效率有显著改善,而适当提高氧喷嘴出口壁厚对燃烧稳定性有显著改善。

燃油喷嘴的加工质量对射流影响的仿真

在燃油喷嘴加工中,采用不同的加工方法,喷嘴内流道的表面形貌也就不同。目前,微细钻削加工是加工直流燃油喷嘴的主要加工方法。基于仿真模拟和实验手段,探讨了微细钻削加工方法得到的喷嘴流道表面粗糙程度对喷嘴喷射性能的影响,主要分析了单个射流的喷雾形状和流量。钻削加工出不同内表面粗糙度的喷嘴,搭建了射流实验台,研究了入口压力、喷嘴内壁粗糙度与射流流量和喷射形状的关系,为喷嘴加工精度的研究奠定理论基础。实际加工中应采用合理的加工参数,保证小孔加工精度和形貌,从而得到质量优良的发动机直流式燃油喷嘴。