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。

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。

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。

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。

结构参数对可调节针栓喷注器喷雾特性的影响

为揭示结构参数对可调节针栓喷注器喷雾特性影响规律,综合采用高速摄影和Malvern技术,对液/液针栓喷注器进行雾化试验,分析阻塞比、套筒扩张角等结构参数对流量系数、喷雾锥角和SMD等指标的影响。试验结果表明:阻塞比和套筒扩张角对流量系数影响较大;动量比相同时,阻塞比对喷雾锥角、SMD及空间分布影响较为显著,是由于局部动量比改变所致,阻塞比越大,喷雾锥角越小,SMD越大;喷雾越往下游发展,SMD越小;套筒扩张角会对喷雾锥角、SMD产生影响,套筒扩张角越大,喷雾锥角越小,SMD越大,套筒扩张角降低至小于90°时,SMD会明显降低。通过上述结果可以发现,在一定的动量比下,采取氧化剂中心式针栓喷注器适当增大、燃料中心式针栓喷注器适当减小阻塞比和套筒扩张角的方法,可获取合适的喷雾空间分布和滴液尺寸,实现喷雾雾化性能的提升。

变推力液体火箭发动机中针栓喷注器研究综述

为总结变推力液体火箭发动机中针栓喷注器的研究成果和梳理未来的发展方向,本文综述了该领域的研究进展。首先介绍了针栓喷注器的基本概念和研究意义,然后从设计原理、工程研制、雾化特性和燃烧特性等方面介绍了针栓喷注器的研究历史和现状,最后展望了针栓喷注器的发展趋势及需要研究的一些科学问题。分析表明,液液针栓喷注器、气液针栓喷注器的雾化特性和燃烧特性都还需持续开展研究。雾化特性中特别需要关注的是雾化角、混合特性和下漏率,还要探索针栓喷注器在反压下的雾化特性。燃烧特性中需要深入研究温度分布、火焰结构和燃烧稳定性。

气液针栓喷注器在节流水平下的雾化角模型分析

为了实现气液针栓喷注器在节流水平下雾化角的准确预测,首先基于控制体分析从动量守恒出发建立了中心推进剂偏转角理论模型,在获得中心推进剂偏转角的基础上建立了雾化角理论模型,并通过试验结果引入变形因子C,最后根据试验结果和数值模拟结果验证了两个模型的准确性。结果表明:中心推进剂偏转角主要受节流水平影响,雾化角主要受动量比和中心推进剂偏转角影响;液束与气膜撞击后变形使液束有效动量小于初始动量,根据试验结果得到变形因子C=0.8,中心推进剂偏转角理论模型和雾化角理论模型的预测值均与试验及数值模拟结果吻合很好,模型可为气液针栓喷注器的理论研究和工程设计提供参考。

气氧/气甲烷针栓喷注器孔型设计仿真研究

为解决针栓喷注器易烧毁的问题,就圆形喷孔孔径比对气氧/气甲烷针栓喷注器头部传热环境和燃烧特性的影响进行了数值仿真研究。结果表明:在给定几何条件下,双排圆形喷孔的针栓喷注器头部最高温度随孔径比增大而减小,而燃烧效率变化微小且均在96%以上。在燃烧室内存在两个大回流区的传统认识之上,研究发现孔径比不小于1时针栓喷注器头部下方还存在一小回流区,该区域轴向推进剂的质量分数较大,对隔绝高温燃气回流避免喷注器烧毁具有重要作用。

针栓喷注器液氧/甲烷推力室设计及试验研究

为了验证针栓喷注器应用于变推力液氧/甲烷推力室的可行性,探索气/液针栓喷注器的燃烧性能,设计了针栓喷注器液氧/甲烷推力室地面试验件并进行了点火试验。推力室通过两轮试验共计7次点火,单次最长点火时间200s,累计515s。结果表明,推力室可以实现液氧/甲烷的可靠点火及稳定燃烧,燃烧效率为0.959~0.979,推力室工作过程平稳,喷注器壳体及针栓的热防护措施可靠,未见烧蚀。

气液针栓喷注器液束撞击气膜破碎过程研究

为了全面认识气液针栓喷注器破碎过程,采用网格自适应加密技术、CLSVOF(coupled level-set and volume-of-fluid method)方法和SBES(stress-blended eddy simulation)湍流方法对气液针栓喷注器液束撞击气膜破碎过程进行数值仿真,获得了液束破碎过程的细节特征,并通过高速摄影试验结果验证了数值方法的准确性。以此为基础分析了液束撞击气膜的雾化模式、变形过程、流动特性和雾化角。结果表明:雾化模式根据局部动量比可分为振荡破碎、剪切破碎和液束主导的波动破碎;液束与气膜撞击后迎风面会向两侧运动,横截面先发展为“T”形,随后被展向拉伸为薄膜。液束前缘变形引起气流在液束两侧形成一系列涡结构,使得气液相互作用增强;雾化角主要受局部动量比影响,工况参数通过影响动量比而间接影响雾化角;认为选取中等局部动量比下的剪切雾化模式可以在获得较大雾化角的同时具有液滴粒径均匀且液滴空间分布均匀的特性。

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。

针栓式喷注器液氧/甲烷发动机燃烧特性数值仿真

为研究针栓式喷注器结构对液氧/甲烷发动机推力室燃烧性能的影响,采用非绝热稳态扩散火焰面模型,并考虑真实流体的物性,对针栓式喷注器液氧/甲烷发动机推力室的跨临界燃烧和流动进行数值模拟。结果表明,针栓式喷注器发动机在推力室头部区域形成两个回流区;在一定范围内,减小针栓式喷注器径向喷注通道尺寸和针阀直径,可以提高燃烧室压力和燃气温度,从而提高推力室的燃烧性能;对于针阀伸进燃烧室长度,为提高推力室的燃烧性能,同时考虑推力室头部的冷却问题,应取越程比在1附近。

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。

阻塞率对液液针栓多喷注单元喷雾场特性的影响

为了研究阻塞率对针栓式喷注器喷雾场特性的影响,基于平面针栓喷注单元的研究思路,设计了结构可更换的平面针栓多喷注单元试验件,同时采用分相识别的PLIC VOF(piecewise linear interface calcula-tion volume of fluid)多相流仿真方法及高速摄影试验方法,开展了阻塞率对液液针栓多喷注单元的雾化角、喷雾扩散角及液雾空间分布的影响规律研究.对于径向圆孔,阻塞率的改变通过改变径向孔直径及个数实现;对于径向矩形孔,阻塞率的改变还可以通过改变矩形的高宽比实现.研究发现:阻塞率对喷雾场的液雾空间分布有重要影响.在径向喷注孔总动量比不变时,阻塞率对喷雾场的影响主要通过喷雾扇空间间距的直接影响和转化为有效动量比的间接影响两种途径实现,径向孔形状对喷雾场的影响本质上也转化为阻塞率及有效动量比的影响.径向孔直径改变和形状改变造成的阻塞率变化对雾化角的影响仅通过有效动量比间接实现,喷注单元的雾化角理论模型也适用于多喷注单元;阻塞率对喷雾扩散角和液雾空间分布的影响则通过两种途径共同产生.另外,高的总动量比工况下,液雾径向分布范围会增大,相邻单元间相互作用会使得雾扇中心区和外侧区液雾分布量均增加.

气液针栓式喷注器液膜破碎过程和结构的数值研究

为了更好地认识针栓式喷注器雾化场的结构,基于网格自适应加密技术以及VOF (volume of fraction)方法追踪气液的分界面,采用realizable k-ε湍流模型模拟整个流动过程,还原了不同时刻气/液撞击的初次破碎过程,数值模拟结果与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好,验证了数值方法的准确性。进一步对针栓式喷注器气/液撞击的初次破碎过程、内部流场涡结构、速度场进行分析,研究了初次破碎雾化的动力学过程和机理。研究结果表明:液桥的形成主要是由液洞的扩展和拉伸、合并而形成,而液滴主要是由中心液膜拉伸、液丝断裂以及液桥断裂而形成,液膜破碎阶段形成的涡结构是造成液膜断裂的主要原因。

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。

高性能3000N针栓式推力室设计

探月三期工程是我国探月工程“绕、落、回”3个部分中“回”的部分,其探测器由轨道器、着陆器、上升器及返回器组成,轨道器、上升器是探测器中重要的组成部分,探月三期工程轨道器、上升器采用同一种液体火箭发动机作为其推进分系统主发动机,为轨道器和上升器提供各项工作所需的冲量。考虑到针栓式喷注器结构简单、燃烧稳定性好、可实现高性能,轨道器、上升器推进分系统主发动机推力室采用针栓式喷注器。