两股互击式喷嘴雾化研究及应用

用激光全息及图像处理技术，研究两股互击式喷嘴的撞击状况及雾化性能，获得了喷嘴的雾化性能参数，在喷嘴的水试雾化性能、热试燃烧效率及比冲对比后，提出用水试雾化性能评估其热试效果，检验喷嘴的加工质量。此技术已用于小推力发动机喷嘴的筛选。

互击式喷嘴燃烧室燃烧效率实验

为了获得凝胶推进剂火箭发动机高效燃烧室的设计参数,依据推进剂特性,设计了7种不同结构的燃烧室,通过实验手段,研究了燃烧室特征长度、喷嘴孔径和推进剂物性等参数对燃烧效率的影响。结果表明:增大燃烧室的特征长度,增加了推进剂的停留时间,有利于推进剂充分雾化和燃烧。减小撞击孔径,提高了射流的剪切速率,降低了推进剂的粘性,可以改善雾化和燃烧效率。为了提高含碳凝胶推进剂的燃烧效率,需减小碳粒粒度或者增加燃烧室特征长度。

两股互击式喷嘴雾化性能实验研究

用激光全息及图像处理技术,研究了双股互击式喷嘴的雾化性能。实验发现,喷嘴的撞击夹角增大、孔径比减小、两射流的动量比减小均会使喷雾的破碎长度和液滴直径减小。在初始雾化区域,液膜和液丝的速度与射流的速度基本相同,液滴的运动速度略小于射流速度。通过实验数据的分析整理,获得了喷雾的索特尔平均直径的经验公式。

射流撞击雾化液滴运动过程与粒径分布特性的试验研究

在大气环境下,以水为介质,采用PDPA和高速动态分析系统,针对直流撞击式喷注单元的雾场结构进行试验研究,获得了雾化液滴速度分布、粒径分布等试验参数。从液滴运动及液滴大小分布的角度针对撞击雾化液膜破碎成液滴的过程进行了分析,发现水平面上雾化液滴的径向速度以原点为中心对称,且随离原点距离增大而增大;初始雾化阶段的粒径大小分布则与径向速度分布相反。分析认为是液膜运动过程赋予了雾化液滴的初始速度,并影响了初始雾化液滴的分布特性。

旋流组合式催化裂化进料喷嘴液流分布实验

提出了一种采用组合式旋流器和球形双槽互击喷头的旋流组合式催化裂化进料喷嘴的概念,并针对不同的旋流器组合方式和喷头结构形式开展了旋流组合式催化裂化进料喷嘴液流分布实验,获得了其液流分布特性,初步掌握了喷嘴的雾化性能。结果表明,采用四组合式旋流器和采用内外嵌套组合式旋流器以及球形双槽互击喷头的喷嘴,喷射液层液流分布比较均匀,雾化效果较好;该结果对于进一步改进此类喷嘴的设计具有重要的参考价值。

双股互击式喷嘴凝胶水雾化特性试验

采用激光全息技术,研究了双股互击式喷嘴的撞击角、射流速度、射流初始状态和在液流中预混入气体对凝胶水雾化性能的影响,并与水进行了对比。研究表明:相同条件下,与水相比,凝胶水难以雾化;增加喷嘴撞击角和射流速度有利于凝胶水的雾化;表面粗糙孔喷嘴和液流中预混入气体有助于凝胶水的雾化。

鲁泊数和孔径比对直流互击式喷注器性能的影响

设计高性能喷注器、提高发动机比冲性能是发动机设计者一直追求的目标。对于直流互击式喷注器,鲁泊数和孔径比是影响喷注器性能的两个关键参数,而且两者之间有一定关联。为了初步研究鲁泊数和孔径比参数对直流互击式喷注器性能的影响,合理匹配两者的关系,设计了三种状态的喷注器,进行了混合比分布试验和热试车考核。结果表明,兼顾鲁泊数和孔径比才能使氧化剂和燃料达到最佳混合效果,提高燃烧效率。

用于多射流撞击式喷嘴的湍流模型比较研究

为获得多射流撞击式喷嘴数值模拟研究中常用湍流模型的适用性和准确性,通过数值模拟分析了常用湍流模型计算的速度场,并与自行搭建的冷态测试实验台上测量的实验数据进行比较。结果表明:S-A模型过高地估计了交叉撞击流和主射流流动的湍流耗散,使得多射流交叉撞击形成的主射流更为平缓且更快衰减为平推流。RNG k-ε模型和标准k-ω模型计算的多射流经过交叉撞击后形成较强的主射流,RNG k-ε模型过度预测了主射流的衰减,而标准k-ω模型对主射流衰减的预测不足。标准k-ε模型、Realizable k-ε模型、SST k-ω模型和RSM模型均能较好地预测轴向速度分布情况,考虑到计算量和计算稳定性,推荐采用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型用于多射流撞击式喷嘴湍流流动的数值计算。

对撞喷嘴喷雾场周向分布特性的实验研究

借助相位多普勒粒子动态分析仪（PDA），采用对撞式喷嘴，研究了液体工质在大气环境中喷雾场的周向分布特性。结果表明：在0．8～1．8MPa喷射压力下，液滴雾化参数D32，vz，vr的周向分布均匀性随着轴向距离的增加而提高；在2．2～2．6MPa喷射压力下，距离喷嘴越远，液滴雾化参数沿周向分布越不均匀。采用RNI理论对喷雾场参数沿轴向和径向的分布均匀特性进行了定量表征分析，结果与实验相吻合，表明RNI理论可以反映雾化场的非均匀特性。

非对称多孔喷油器撞壁喷雾特性的试验与模拟

采用高速阴影摄像技术对直喷汽油机非对称多孔喷油器进行了撞壁喷雾特性研究.分析了撞壁距离和撞壁角度对撞壁喷雾贯穿距和半径的影响.利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)技术研究了撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾粒径SMD(Sauter Mean Diameter)、壁面油膜厚度以及壁面油膜面积的影响.结果表明,撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾有着重要影响,在试验条件下较佳的撞壁距离大约为26.1,mm,即压缩/进气上止点前后60°CA左右,较合适的撞壁角度应该是75°左右.此外,喷雾离开喷嘴3,ms后,撞壁距离为26.1,mm时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁距离18.1,mm时大了约1,μm,而比撞壁距离47.1,mm时小了约14,μm;撞壁角度为75°时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁角度60°时小了约5,μm,而比撞壁角度90°时大了约1.6,μm.

基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa^0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。

汽油缸内直喷多孔喷油器喷雾碰壁特性试验

为了研究缸内直喷汽油机多孔喷油器的碰壁喷雾特性,建立了定容碰壁喷雾试验装置,对不同喷油压力和不同环境压力条件下的碰壁喷雾过程进行了拍摄,同时考虑壁面与喷嘴的距离和壁面倾角对碰壁喷雾特性的影响.结果表明:增加喷油压力可以使碰壁喷雾高度和半径增大,但是碰壁喷雾高度的增加率随喷油压力的增加而减小;随着环境背压的增大,碰壁喷雾高度和半径均减小,进一步增大环境背压,则碰壁喷雾高度增大;加大撞击壁面与喷嘴的距离和壁面倾角,碰壁喷雾高度和喷雾半径均增大,当壁面倾角进一步增大,碰壁液滴总动能减少,而且受到喷雾油束边缘的运动阻力,碰壁喷雾半径减小.

高压涡旋喷油器喷雾撞壁机理研究

为了研究直喷式汽油机高压涡旋喷油器喷雾撞壁机理,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端速度,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角等因素对撞壁喷雾的影响。随着喷射压力、喷嘴到壁面的距离及壁面倾角的增加,喷雾的贯穿距离增大;环境背压的增大导致喷雾的贯穿距离减小。较高的喷射压力和较低的环境背压增大了撞壁燃油与壁面的接触面积,在壁面上形成的薄膜加速了燃油的蒸发。由经验公式计算得到的撞壁喷雾贯穿距离与试验测量值在一定范围内具有一致性,为燃烧室的设计、进气道形式的选取、喷油器和火花塞的布局提供了试验依据。

幂律流体双股碰撞雾化特征的实验研究

为深入研究双股射流碰撞系统的雾化特性,基于双股射流碰撞雾化实验台,采用PIV测速仪,通过改变双股射流的射流不对称性、添加氮气气流扰动以及添加金属铝粒子,来实验探究上述因素对于幂律流体雾化的影响.实验结果表明:韦伯数较小时,幂律流体以一定偏心度碰撞会形成链状液膜,链结长度随偏心度增大而减小;当双股射流以不同长度撞击时,幂律流体会出现鱼骨模式,该现象在0.15%卡波姆凝胶中较为明显;添加气流扰动能增大幂律流体液膜表面波的强度,导致液膜宽度变薄、液膜边缘提前破裂,并且当韦伯数较小时,液滴索太尔平均直径减小;添加金属粒子使幂律流体强度变低,最大破碎长度变小,提前进入各个破碎模式,更早达到液滴平均直径收敛值.采用一定的偏心度,适当加入气流扰动和金属粒子,有助于改善幂律流体雾化性能.

同轴撞击气-气喷嘴数值模拟和实验

为进一步深入研究喷嘴结构参数对气-气掺混燃烧特性的影响,针对氢向氧斜喷带撞击角度的气-气喷嘴开展了实验和数值模拟.实验研究了撞击角度对燃烧效率和燃烧室壁面温度的影响,数值仿真分析了撞击角度对喷注面板和氧喷嘴管壁温的影响.结果表明:随着氢向氧撞击角度的增大,推进剂燃烧效率、燃烧室壁面和氧喷嘴出口管壁面热载降低;氢向氧撞击角度的引入,增大了喷注面板热载.

3股互击式喷注器混合特性的数值模拟

为了获得更好的混合效果,将3股互击式喷注器中间的喷注孔与两侧的喷注孔进行异型设计,改为直孔与锥形孔的组合,得到两种新型结构的3股互击式喷注器。应用计算流体力学方法,在"燃料-氧化剂-燃料"组合条件下,对上述两种结构及全直孔式喷注器的流场进行了3维的数值模拟。互击式喷注器主要通过横向旋涡驱动来实现快速混合;氧化剂喷注采用锥形孔后,旋涡强度偏低,而燃料喷注采用锥形孔后,旋涡强度则有所提高。选取质量加权平均的未混合度作为评价参量,比较了3种不同喷注器结构的混合效果,发现燃料喷注采用锥形孔的3股互击式喷注器混合效果最好,全直孔式居中,氧化剂喷注采用锥形孔的最差。结果表明,对化学激光器燃烧室喷注器的设计而言,可考虑对两种喷注孔进行异型设计,如将燃料喷注改用锥形孔,以便进一步改善混合效果。

互击式气-气喷注器混合场影响因素流动显示

虽然针对互击式气-液喷注器开展了大量研究,但对互击式气-气喷注器的了解甚少。为了深入理解互击式气-气喷注器气气混合过程的特点,利用粒子图像测速(PIV)系统对其开展了流动显示实验研究。实验结果表明:对于O-F-O互击式气-气喷注器,气流撞击角度和氧/氢动量比直接影响着气流撞击作用的大小,控制着气流混合过程;对于喷孔间距保持一定时,撞击角越大,气流间的相互作用越强,气流混和效果越好;氧/氢动量比越大,气流间撞击力越强,混合距离越短,对中心气流的挤压作用越厉害,其流场分布三维特征越明显;可以通过组合高的氧压降、低的氢压降和大撞击角来设计混合效果较好的互击式气-气喷注器。

粘性圆柱射流撞击理论研究

撞击式喷嘴在液体火箭发动机中得到广泛的应用,目前对射流撞击形成液膜的理论分析还仅限于无粘或低粘性流体。从流体力学基本方程入手,引入粘性力和撞击过程中的能量损失对现有模型进行修正,得到了粘性圆柱射流撞击形成液膜的理论模型,并对撞击角、射流速度及粘性系数等参数对液膜形状、厚度及速度的影响进行了分析。配制了不同粘度的甘油水溶液进行射流撞击实验,以验证理论模型的正确性。

凝胶推进剂模拟液撞击雾化特性研究

为了寻求凝胶推进剂雾化机理、提高其雾化效果,开展幂律流体双股圆柱射流撞击的理论和实验研究。首先推导了幂律型流体射流撞击形成液膜的理论模型,在其中引入粘性力和能量损失。进而通过设计凝胶模拟液射流撞击实验,使用高速摄像机拍摄图像的方法进行了相关的实验研究,以验证理论的正确性。在此基础上,对撞击角度、射流速度分布及液体部分物性参数对液膜形状、厚度及速度分布的影响进行了分析,得到了相关参数的影响规律。研究结果表明,射流撞击角、速度型、液体表面张力系数、流变特性等均对液膜特性有明显影响,且流体本身的物理性质对撞击形成的液膜的影响更甚。

一种40°撞击角双股自击式喷嘴试验

研究了一种 4 0°撞击角双股自击式喷嘴冷流特性和热试验流量系数。冷流试验以常温水为介质 ,用激光散射测粒仪和探针研究了该喷嘴的雾化质量和流强分布。在 1 35MPa～ 1 75MPa的喷嘴压降下该喷嘴椭圆形喷雾的喷雾锥角为 2 6°～ 38°,流强呈单峰型分布。统计研究了该喷嘴冷试验和在液氧介质下热试验时的喷嘴流量系数 ,流量系数在 0 6～ 0