动量比对单排槽针栓喷注器雾化特性的影响

为了获得单排槽气液针栓喷注器的破碎过程和雾化特性,通过试验和数值仿真方法研究了不同动量比下的破碎变形过程、雾场浓度和粒径分布。结果表明,径向液束在轴向气膜的剪切作用下发生变形和破碎,穿透深度和破碎长度均随着动量比的提高而增大;雾场中心的浓度随动量比提高而降低,使得雾场中心接近空心;随着局部动量比的提高,液滴粒径的最大值逐渐增大,液滴粒径的最小值逐渐减小,液滴的粒径范围逐渐拓宽;雾场液体浓度和粒径沿周向分布有相邻喷注单元之间明显的分区特征。

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明:当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500~3000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。

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。

径向槽布局方式对针栓喷注器雾化角的影响

目前针栓喷注器中心推进剂的喷注形式多采用离散的槽型结构,径向槽布局方式对雾场结构起到了决定性的作用。为了获得气液针栓喷注器雾化角的预测公式,基于控制体分析从动量定理推导出了喷注单元的雾化角理论公式,并通过试验结果修正理论公式得到了动量系数。对于多喷注单元针栓喷注器的雾化角,采用试验结果对喷注单元雾化角的理论模型进行修正,掌握了径向槽布局方式和阻塞率对雾化角的影响规律。结果表明:雾化角的理论预估值与试验值吻合较好;在总流通面积和质量流量一定时,径向槽布局方式对雾化角影响很小;局部动量比和阻塞率对雾化角起决定性作用,当阻塞率不大于14.55时,相邻喷注单元之间的相互作用影响很小,多喷注单元气液针栓喷注器的雾化角与喷注单元的雾化角近似,当阻塞率不小于25.46时,雾化角理论公式中的动量系数推荐值为0.87。

液液针栓多喷注单元喷雾场数值模拟

为了研究相邻喷注单元间相互影响对针栓式喷注器喷雾场的影响,以平面针栓多喷注单元为研究对象,采用基于AMR(adaptive mesh refinement)技术和分相识别的PLIC VOF(piecewise linear interface calculation VOF)新方法,实现了针栓式喷注器雾化过程的高保真数值模拟。给出了喷雾场典型的结构特征及液雾的分布特性,对比了多喷注单元与单喷注单元喷雾场的差异,揭示了相邻喷注单元间的相互影响机制。研究表明,新的仿真方法在精细研究针栓式喷注器喷雾场方面具有较好的准确性。与单喷注单元相比,多喷注单元喷雾场主要存在以下特殊结构:相邻两雾扇相撞背部呈脊状结构,使得雾化区域大于雾化角;两雾扇相撞在中间对称面汇聚形成薄液膜,使整个雾化角范围内均有液滴分布;相邻两孔之间形成一定下漏率和下漏液膜宽度;液膜路和液束路的液滴粒径均显著增大了约35,流强和混合比沿径向分布更趋于均匀。相邻喷注单元间的相互影响机制为:相邻喷雾扇相撞后原先各自向外展开的雾扇被挤回中心对称面,其厚度是原雾扇的两倍,其他未发生撞击位置的液膜厚度保持不变,最终形成的喷雾扇结构呈扁平的多凹腔状。

针栓式变推力火箭发动机内流场数值仿真研究

发动机推力室的工作过程直接影响到发动机的性能,在设计过程中,从理论上分析推力室内的燃烧流动过程具有非常重要。通过数值仿真,可以大大缩短发动机的研制和改进设计周期,减少研制经费。针对自燃推进剂针栓式变推力液体火箭发动机燃烧与流动的特点,借助CFD计算软件FLUENT,采用标准k-ε湍流模型及有限速率化学反应模型,对采用针栓式喷注器的变推力液体火箭发动机的推力室喷雾燃烧过程进行了数值仿真。计算结果得到了压强分布,温度分布,生成物的摩尔分数分布,粒子轨迹分布、流强、混合比分布以及流动马赫数分布等,并对流场结构和影响发动机性能的喷注器参数进行了分析。数值计算结果可为变推力发动机喷注器和推力室的设计和优化提供参考。

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。

动量比及其调节方式对针栓喷注器喷雾特性的影响

对不同动量比下针栓喷注器的喷雾特性开展了试验研究.以水为模拟介质,分别通过增大氧化剂流量与减小燃料流量,在0.16-0.99范围内增大局部动量比,其中前者对应的总动量更高.通过高速摄影结合激光相位多普勒技术(PDA)研究了不同工况下的喷雾边界、粒径分布及速度场.结果表明,工况变化直接影响喷雾形态,并进一步影响其他喷雾特性.对于同一局部动量比,喷雾锥角一致,但高总动量对应的喷雾下游范围更大.随着外喷嘴流量增加,喷雾上游出现空心区,且其范围随局部动量比增大而增大. Sauter平均直径(SMD)随局部动量比增加而增大,变化范围则随总动量增高而扩大.有空心区的喷雾SMD沿径向呈N形变化趋势,喷雾外缘粒径最大;实心喷雾SMD沿径向略有下降.喷雾合速度取决于总动量,合速度、轴向速度、径向速度均沿径向呈倒V形变化,但轴向速度以下降趋势为主,径向速度增加后缓慢减小或直接趋平.局部动量比越高,径向速度越高,轴向速度越低.此外,空心区下方喷雾速度场由液膜主导.

针栓式液氧/煤油发动机燃烧数值仿真

为了研究低温非自燃推进剂应用针栓式喷注器的流场分布规律,总结不同动量比对针栓式发动机燃烧流场的影响,采用数值仿真的方法研究针栓式液氧/煤油发动机的燃烧流场分布,仿真模型采用k-ε湍流模型、有限速率-涡耗散燃烧模型等。仿真结果表明:针栓式发动机在燃烧室内形成两个回流区,有利于燃烧室头部冷却;针栓式喷注器能够在燃烧室壁面形成液膜,提高了燃烧室壁面的热防护;随着动量比增加,燃烧高温区向燃烧室壁面靠近;动量比为1时,针栓式喷注器具有最佳的燃烧效率。

针栓喷管技术在固体姿轨控系统中的应用研究

论述了针栓喷管技术在固体姿轨控系统中的应用,研究了针栓喷管的技术途径,防热材料选择,针栓驱动方案选择,针栓结构设计,以及多喷管系统的推力管理方案。并对在不同压强和针栓位置情况下的内流场数值模拟,最后提出针栓喷管在姿轨控系统中应用的关键技术和发展方向。

针栓式喷注器的特点及设计方法

在双组元液体火箭发动机中,相比传统的直流式或离心式喷注器,针栓式喷注器具有独特的几何结构形式及喷注特性。通过参阅国外的相关研究成果,介绍了针栓式喷注器原理、特点及应用情况,总结了针栓式喷注器设计参数的设计方法,从而提出针栓式喷注器结构方案的设计指导原则。

针栓喷注器径向孔形状对喷雾特性影响实验研究

径向孔型针栓喷注器是目前所用的针栓喷注器中广泛应用的构型,径向孔的构型直接影响其喷雾特性,包括空间分布特性和雾化性能。在保持总流通面积和阻塞比(BF)一致的前提下,设计加工了4种结构的径向孔型液液针栓喷注器,并通过冷试试验具体研究了径向孔的几何形状及高宽比对喷雾形态、喷雾锥角、喷雾浓度分布特性和雾化性能的影响。采用背景光成像方法观测喷雾的基本形态并计算喷雾锥角,通过相位多普勒技术(PDA)测量喷雾场的分布特性并分析SMD的分布规律。结果表明,圆孔喷注器相比于矩形孔喷注器具有更大的喷雾径向分布范围,且矩形孔的高宽比越高,喷雾锥角越小,喷孔形状对喷雾锥角的影响与射流和液膜的局部相互作用有关。喷孔形状同样影响到喷雾浓度的分布特性。随着高宽比的增加,喷孔数目增多,相邻喷雾单元间的相互作用增强,喷雾上游空心区范围逐渐缩小直至消失。从雾化性能来看,喷孔几何形状的变化对雾化SMD影响较小,但高宽比的增加使喷雾场中SMD的分布更加均匀,有利于雾化性能的提高。

橡皮泥针栓帽在血气分析标本采集中的应用

动脉血气分析因其结果迅速、准确，对机体的呼吸功能和酸碱平衡状态有准确的描述而广泛应用于临床。特别在危重症抢救时尤为重要，已成为临床必要的检测指标之一。我院自2006年以来，使用自制橡皮泥针栓帽防止血气分析标本采集中空气进入影响结果的准确性，取得满意效果。现介绍如下。

针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明：针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。

针栓变推力固体火箭发动机动态响应特性研究

为了解针栓式固体发动机的动态响应特性,基于可变等效喉部面积的调控内弹道模型,研究了针栓型面及其调节过程对发动机动态响应的影响。结果表明:针栓式变推力固体发动机响应时间以及推力响应的动态特性与针栓移动速度、针栓型面以及推进剂压力指数密切相关。发动机响应时间由针栓移动时间和针栓移动造成的压力延迟时间组成;随针栓移动速度增大,针栓移动过程与压力延迟过程相对比重发生变化,使得响应时间先快速缩短后趋向于定值,由32ms缩短至11.6ms,而推力过冲逐渐增大,但在针栓打开过程中响应时间更短,推力过冲更大,并且计算表明压力和等效喉部面积的相对变化率决定了推力过冲;随着正压力指数的增大,压力调节范围增大,推力过冲和响应时间均增加,而负压力指数的推进剂明显缩短响应时间,抑制推力过冲;凸型面针栓能够缩短响应时间同时降低推力过冲,可根据等效喉部面积相对变化率获得最佳型面曲率,使得响应时间和推力过冲最小。

液体火箭发动机针栓喷注器雾化燃烧技术研究进展

针栓喷注器具有结构简单、可靠性高、燃烧稳定,可实现深度节流、面关机、机构可按比例缩放、成本低等显著优点,以其为基础的推力调节技术是一种实现液体火箭发动机变推力方案的有效途径,得到了广泛的应用。基于国内外针栓喷注器及针栓式发动机技术的发展现状和应用实例,着重从喷注器雾化性能和发动机燃烧流动问题2个方面进行了分析,在此基础上提出了对喷注器及发动机技术研究方向和研究重点的建议。

气氧/气甲烷针栓发动机燃烧过程数值仿真研究

为了研究气氧/气甲烷针栓发动机的燃烧特性,建立了气氧/气甲烷针栓发动机二维轴对称数值计算模型,湍流模型采用标准的k-ε双方程湍流模型,燃烧过程采用一步总包化学反应机理的涡耗散模型进行处理。数值仿真结果表明,针栓发动机在氧气和甲烷燃烧反应稳定时会产生较大的火焰锥角,温度场呈现带状分布,燃烧室内部流场存在两组回流区;随着喷孔位置远离针栓头部,燃烧效率增加,但火焰锥角不变;而环缝宽度增加,燃烧效率降低,火焰锥角增加;相反喷孔直径增加,燃烧效率增加,火焰锥角减小;在一定范围内燃烧效率随着火焰锥角增加而减小。

液气式针栓喷注单元喷雾场结构试验研究

径向孔型针栓喷注器相对于径向缝型针栓喷注器具有更复杂的喷雾场。为了研究径向孔型针栓喷注器的喷雾场结构,将径向孔型针栓喷注器简化为单个气体射流与液膜碰撞的针栓喷注单元,采用了背景光成像系统结合激光相位多普勒技术(PDA),以水和空气为模拟介质,对液气式针栓喷注单元的喷雾场进行了试验研究。试验结果表明,液气式针栓喷注单元喷雾的三维结构呈现“喇叭”状。根据喷雾的形成过程及液滴的分布,液气式针栓喷注单元喷雾可以划分为4个区域:碰撞区、液滴区、液雾区及液丝区。液气式针栓喷注单元喷雾的分布范围可由内边界角、外边界角、中线角及散布角表示,均随局部动量比的增大而增大。液滴区的粒子主要由碰撞过程产生,SMD较大;液雾区的粒子经碰撞过程产生后,在气动力作用下进一步雾化,SMD小。由于液雾区的速度和粒径同时受到气动力作用的影响,粒径分布与速度分布在空间上呈现负相关趋势。

固体轨控发动机针栓喷管热化学烧蚀特性

在热化学烧蚀理论的基础上综合考虑了H2O、CO2以及OH等氧化性组分与喷管壁面的反应,由FLUENT流体计算软件进行了流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管及阀杆壁面瞬态温度分布规律与烧蚀率分布规律,分析了温度分布规律的理论基础以及燃烧室压强和氧化性组分对烧蚀率的影响规律。结果表明:喷管壁面与阀杆壁面温度与烧蚀率分布均遵循壁面热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;阀杆头部位置存在高温高压的回流区,导致该区域的温度与烧蚀率较高;烧蚀率随燃烧室压强的增大而增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。

固体姿轨控针栓推力器内流场数值仿真（英文）

为研究针栓推力器内流场的特征和规律,采用二维轴对称模型,开展了针栓运动过程的非稳态及稳态流场仿真,分析了不同开度下的流场结构、针栓所受气动力及流场对针栓几何参数的敏感性。结果表明:由于针栓的干扰作用,流场结构呈现出复杂激波系、顶端流动分离等现象;气动力系数与针栓头部锥角大小呈正相关关系,与集气室压强无关;节流面形状对气流参数分布、激波强度及位置、气动力等表征的流动模态影响很大。