超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析

为解决低压低产气井积液问题以及提高排水采气井筒携液效率,建立新型超音速喷管模型,自行搭建的实验平台探究气相流量、液相流量、液相入口直径对雾化效果的影响,对25组实验结果进行相关性分析,结果表明气相流量在3000~5000 m^(3)/d范围内,随着气相流量增加,雾化效果增强。液相流量在0.6~2.2 m^(3)/d,液相喷孔直径在6.0~8.4 mm范围内,随着流量与直径增加,雾化效果减弱。并得出对雾化角和雾滴粒径影响因素的强弱为气相流量>液相流量>液相入口直径。根据实验数据和相关性分析建立多元非线性回归雾化模型,雾化模型决定系数R^(2)为0.971,通过雾化液滴模型预测得到雾滴预测值与实验值进行误差分析,平均误差为14.02%,雾化模型良好。

气流清扫的超音速喷管气动设计及其性能的对比分析

目的提出使用拉瓦尔喷管产生高速气流清扫固体表面附着的水膜。方法设计中心轴对称锥形喷管(Taper-A)、中心轴对称Sivell法喷管(Sivell-A)、中心轴对称短化喷管(MLN-A)和二维锥形型线喷管(Taper-2D),建立包括外流场的LES数值仿真模型,并进行仿真,分析研究外流场结构,并基于韦伯数判据,分析超音速喷管的清扫性能。结果喷管短化设计方法可以将喷管长度缩短50%。外流场速度呈波动衰减趋势,特征线法喷管的气流膨胀更充分。缩短喷管长度会减小内流场的附面层厚度,因此MLN-A在速度波动中的能量耗散较少;喷管过长也会降低清扫性能,MLN-A和Taper-2D在x_(L)>2区域的最大等效水膜厚度小于0.2μm,但MLN-A有效清扫面积比Taper-A的喷管提高15%以上,清扫性能最优。结论喷管短化设计方法可以有效缩短喷管。喷管结构对清扫性能影响较大。MLN-A喷管的清扫性能最优。

收缩段线型对超音速喷管氟原子气相复合的影响

使用移轴维氏曲线和双三次方曲线作为收缩段线型分别设计了两种环形HYLTE主喷管,给出了环形 HYLTE喷管三维的多组分有反应湍流场的控制方程、边界条件和模拟区域的选择．计算结果表明,这两种线型的喷管均能避免边界层的分离,获得均匀的流场分布及相同的出口马赫数分布,但移轴维氏曲线在收缩段前部收缩快速,气流速度相应较快,因此F原子的气相复合程度弱于另外一种收缩段设计的喷管,相应地,使用移轴维氏曲线设计的喷管F原子流量比另外一种喷管高5％左右,因此使用移轴维氏曲线作为环形HYLTE 主喷管收缩段的设计有助于提高化学激光器的效率．

缩扩型超音速喷管的设计与仿真

缩扩型的拉瓦尔喷管可以使通过其的气流获得超音速,出口速度的大小以及气流是否稳定是决定拉瓦尔喷管性能优劣的关键因素.通过Fluent软件对拉瓦尔喷管的相关流场进行了数值仿真,分析了入口压力、面积比、收缩段型面及扩张段的锥角对喷管出流速度的影响,可为喷嘴的设计提供理论指导.

用于气流粉碎机的超音速喷管设计研究

针对气流粉碎机上超音速喷管的使用特点 ,根据超音速风洞喷管设计的一般原理以及三元特征线理论和附面层修正的理论 ,提出了一种实用的三元轴对称超音速喷管的设计方法。本方法以喷管的过中心轴的半截面为研究对象 ,对收缩段、扩张段分别进行设计。根据设计制成样品 ,经实验验证出口马赫数达到设计要求 ,可用于气流粉碎。

无加热氧碘化学激光器超音速喷管

针对氧碘化学激光器的金属喷管在使用过程中需加热保温且存在结构复杂、故障率高等问题,初步选择了几种可用于加工无加热喷管的非金属材料,并以kW级氧碘化学激光器为原型,以聚酰亚胺为例,对激光器运行条件下的喷管温度场进行数值模拟,以验证此种非金属无加热喷管的可行性。结果表明:与金属喷管相比,非金属喷管在不加热保温的情况下能够有效阻止热量传递,防止碘蒸气冷却凝结,满足激光器喷管的使用要求。

超音速喷管收缩扩张段匹配问题研究

超音速喷管由收缩和扩张两段组成,是高速风洞中获得超音速流动的重要部件。对于超音速喷管收缩段设计方法的研究较多,但尚未见到喷管收缩段的几种设计型面曲线如何与扩张段合理匹配问题的研究。针对以上的问题,利用CFD数值模拟方法对几种收缩曲线与扩张段匹配问题进行了计算。通过对计算结果进行对比分析,发现不同收缩曲线对超音速喷管内流有一定的影响,分析了流场特征,展示了马赫数在喷管内部的分布。

基于计算流体力学的工业超音速喷管型面优化

为了评估2种不同型面工业喷管出口位置气流参数的差异性,采用计算流体力学数值分析方法,对2种不同型面的工业喷管进行多种工况条件下的数值模拟。计算结果表明:2种喷管在相同的入口工况参数条件下,曲线型喷管与直线型喷管相比,出口位置各项气流参数的均匀性均具有明显的优势。2种喷管在多种工况条件下,曲线型喷管出口位置气流的平均静温、平均静压、平均总压与直线型喷管出口位置对应的气流参数相比,最高分别增加了0.8%、2.25%、3.43%。采用根据超音速特征线理论设计出的曲线型喷管作为工业常用喷管可减小喷管内部机械能损失、优化喷管出口流场品质,提高工业生产工艺技术的效率和精确性。

跨音速喷管流场波系分布的数值仿真

应用分离系数矩阵方法对跨音速喷管流场进行数值仿真，同时计算喷管内马赫波分布。采用５１５１个网格点的计算结果清晰反映出喷管内膨胀波和压缩波的生成和反射。数值仿真与实验结果在宽广马赫数范围内吻合一致，并揭示了波系分区分布，反映出波系影响下跨音速喷管流场参数分布的规律性。

直接的矩阵分裂计算跨音速喷管流场

给出了分离系数矩阵（ＳＣＭ）求解欧拉方程组时系数矩阵的直接分离公式，减少和简化了应用该方法时的矩阵运算。参照Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ显式格式构造与ＳＣＭ方法一致的内点差分格式，并分析了它的数值特性。对有斜激波的跨音速内流场进行了数值仿真。计算中采用变系数的当地时间步长，加快了流场达到稳态的收敛速度。计算无需引入任何人工参数，计算值与实验结果吻合。

超音速喷管雾化排水技术在极低产气井的应用

超音速喷管能使天然气产生超音速流动,从而将液体剪切和撕裂成微小液滴。喷管之后,流态发生了变化,成为雾状流。这样降低了气液两相的截面平均密度和流动阻力。即使在极低产气量情况下,依靠天然气自身的动能也能够把雾化的液体携带出井筒。为了提高超音速喷管雾化效果,对喷管结构进行了改进。2018年,对苏里格气田一些产气量低于2000m^3/d气井进行了生产应用试验,试验超音速喷管雾化排水对这些气井的排水效果。通过长达几个月的生产应用,得到了一些重要的研究成果;超音速喷管雾化排水新方法对低压力、低产气井、乃至极低产气量气井排水有着很好的效果。产气量低到1000m^3/d时排水效果依然良好。超音速喷管设备成本低,可以长年连续使用而不维护。从排水效果和经济投入少来说,超音速喷管能够在气田大规模应用。

超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀动态仿真

针对超音速分离线喷管大摆角状态下化学烧蚀导致的壁面退移,基于动网格技术建立了相应的动态仿真模型,实现了对不同燃烧室条件下喷管化学烧蚀率的预示。初步稳态计算得到喉部烧蚀率为0.048 6 mm/s,高出试验结果5.67%,验证了仿真设置的合理性。以此状态结果为瞬态计算的初场,进行相应的化学烧蚀动态仿真计算。该喷管的矢量角放大系数在0.5 s仿真时间内因壁面退移减小了0.42%,对称面下侧分离线结构附近因燃气流动受阻成为喷管烧蚀最严重的位置,烧蚀率为0.074 5 mm/s。增大燃烧室压强或温度,会导致同周向位置的分离线后侧与前侧壁面烧蚀率比值减小。对于分离线附近型面变化较小处,压强5.5 MPa增加到7.5 MPa,该比值减小了10%,温度3200 K增加到3600 K减小了15%。

分离线扩张比对超音速分离线摆动喷管流场影响规律的数值与试验研究

为进一步优化超音速分离线摆动喷管性能,通过数值计算分析了分离线处扩张比(ε)对超音速分离线摆动喷管流场的影响规律,并进行了试验验证。结果表明:相同ε下,随着摆动角度(θ)的增加,轴向推力系数(C_(fx))逐渐减小;ε取不同值时,相同θ下C_(fx)区别较大,在ε=1.68时C_(fx)达到最大值。相同ε下,随着θ的增加,偏转放大系数(K)先增加后减小,θ为1°~2°时,K值达到最大(K=2.5);不同ε下K区别较大,当ε≥1.46、θ为1°~8°时,K>1,ε=1.21时偏转效益受θ影响较大,K最小值小于1。数值仿真喷管羽流状态与地面试验一致,验证了仿真方法的有效性;分离线处压强由于模型误差存在一定偏差,摆动力矩由于分离线处压强的非均匀分布存在计算偏差。

超音速喷涂喷管数值模拟及结构优化

提出了一种新型超音速喷涂喷管以促进涂料雾化,以原子灰作为喷涂材料进行数值模拟,详细讨论了喷涂喷管内外流场和雾化颗粒分布情况。基于响应曲面法和遗传算法分析了该喷管中进液口直径d_4、进液口位置l、进液口与轴线夹角α对平均粒子直径的影响,得到了一个响应变量关于3个因素的回归预测模型,优化出喷管的最佳结构参数。结果表明:当d_(4)=0.05 mm、l=2.5 mm、α=30°时,喷管雾化效果最好,平均粒子直径为3.714 5×10^(-6) mm,优化结果与雾化计算仿真结果误差小于0.05%,说明了优化结果的可靠性。

超音速分离线喷管推力效率影响因素的数值研究

超音速分离线喷管作为一种新型可动喷管,在机械结构、流场分布、推力性能等方面具有不同于传统可动喷管的特点。由于具有偏转放大效应特点,在执行矢量控制时超音速分离线喷管性能较明显优于传统喷管。为了讨论其推力效率受不同因素影响的变化规律及作用机理,对不同摆角下超音速分离线喷管受不同因素影响的内流场开展数值仿真研究。结果表明:在给定的设计参数下,分离线间隙尺寸的增大对推力效率具有减益性,超音速分离线喷管在执行矢量控制时具有较高的推力效率;同时,相较于锥形扩张段,钟形扩张段喷管有着更好的推力效率。

超音速喷管内准一维气相流动建模与数值模拟

通过理论分析建立考虑壁面摩擦和换热影响的喷管内气相准一维流动数理模型,在气动方程组矢通量分裂基础上,采用有限差分方法对其变体形式进行离散,空间导数采用五阶精度WENO格式,时间导数采用三阶精度三步TVD龙格库塔方法,在Fortran平台上进行编程和计算,进行模型方法验证和参数研究。结果表明,在适当选取摩擦修正因子时,数值模拟与实验数据吻合较好,验证了数理模型、数值计算与求解方法的有效性。喷管半扩张角增大时,出口气流速度和马赫数增大,而静压减小;进口总温提高时,出口速度显著升高,但由于壁面摩擦和换热加剧,相应的出口马赫数会减小;进口总压提高时,出口气流速度并不显著增大;壁面温度升高时,出口气流速度和马赫数均减小。

超音速校准风洞中的喷管设计

随着航空技术的发展,需要建设超音速校准风洞,以满足传感器的相关校准需求。本文根据超音速喷管设计的一般原则和特征线理论以及附面层修正的方法,进行固定马赫数的超音速喷管设计,并对设计的喷管形面进行了数值仿真,结果表明该方法能够实现设计要求,满足超音速校准风洞的使用要求。

氟化氢泛频化学激光器高超音速低温喷管研究

通过建立一套氟化氢泛频化学激光器实验系统 ,介绍了一种新型高超音速低温喷管的结构及其实验参数设置方法 ;对喷管性能进行了测试 ,并将实验结果同数值模拟结果进行对比 ,找出了改善喷管性能的方法。由该喷管构成的激光系统已顺利出光。

基区无吹氦环柱型高超音速低温喷管流场分析

设计了小基区、基区不吹He的环柱型高能化学激光器环形HYLTE喷管阵列,并使用数值模拟的方法对环形HYLTE喷管阵列流场的气动性能和光学性能进行了分析．结果表明,该设计有利于形成v=1→v=0 之间振转跃迁谱线,不利于v=2→v=1之间振转跃迁谱线的形成,由于光腔区绝大多数的HF(2)分子碰撞去激活后成为HF(1)分子,从而使1P谱线的小信号增益倍增,无基区吹He的设计有利于提高高能化学激光器的效率．采用小基区的设计可以增大喷管阵列的功率流密度,无基区吹He的设计不但可以使复杂的环形高超音速低温喷管叶片的加工与装配得到简化,而且降低了激光器工作气体的消耗．因此该设计不但有利于实现高能激光器的紧凑化设计,还有利于节省高能激光器建造和运行的成本．

超音速分离线喷管内流场数值模拟

采用数值方法求解超音速分离线(SSSL)喷管内流场,研究了不同摆角对喷管流场分布的影响,对比分析超音速分离线与亚音速分离线喷管的轴向推力、径向推力及偏转放大因子随喷管摆角的变化规律,为超音速分离线喷管的设计研究提供理论参考。计算结果表明,摆动对超音速分离线喷管内流场影响显著,随着摆角的增大,内流场的非对称性和激波强度均增加;在相同摆管的轴向力分力略有减小,而径向分力则呈现增大的趋势;超音速分离线喷管与亚音速分离线喷管的径向分力比值,即偏转放大因子则随喷管摆角呈先增大、后减小的变化规律,本算例中的最佳放大因子1.36,对应的喷管摆角为2.5°;另外,随着摆角增大,超音速分离线喷管内流场Al2O3粒子分布的非对称特性也逐渐加强,活动体小端局部范围粒子浓度显著增大。