气态/超临界态RP-3航空煤油喷嘴内部流动可视化研究

为研究气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动特性,自主设计了模拟喷嘴内部收缩通道的透明试验件,通过阴影法对气态/超临界态RP-3在喷嘴内部的流动过程开展可视化研究,并采用一维流动分析方法对观测结果进行了分析。试验首次获得气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动结构可视化图像,图像透明区域的形状随着燃油在收缩通道中膨胀而引起的密度变化而改变。结果表明,喷射压力和喷射温度对燃油在喷嘴内部流动特性有显著影响,燃油密度在不同喷射压力和喷射温度工况下沿轴向及径向的变化趋势存在明显差异,因而在可视化图像上展现出不同大小或形状的透明区域。轴向上,燃油密度变化在喷口处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低、喷射压力的升高而增大。径向上,受温度边界层的影响,燃油密度变化在喷嘴壁面处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低而减小;近临界喷射温度下,亚临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈均匀状,超临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈收缩状。

三旋流雾化装置中预燃级喷雾特性的实验研究

为深入研究三旋流分级燃烧室中预燃级的喷雾特性,采用煤油为工质,在接近贫油熄火状态时对某三旋流雾化装置中预燃级的雾化特性进行了实验研究。利用相位多普勒测速仪对雾化装置下游的整体喷雾场以及近场区喷雾进行了研究和分析。结果表明:下游喷雾场主要有中心回流区、高速区和喷雾边缘区,但是在X=10mm截面上高速区中存在着台阶低速区。喷雾结构由空心锥结构渐渐转变为全锥形。线平均后的液雾索泰尔平均直径SMD沿轴向增加,气流压降是液滴平均尺寸的主要影响因素。雾化装置中的雾化过程符合复合式空气雾化。在X=10mm截面的近场区,径向上各点处的液滴轴向速度基本与液滴尺寸无关,而液滴径向速度与尺寸的关系与径向位置有关。对文献中提出经验预测公式进行了修正,得到适用于该雾化装置的液滴尺寸关系式,发现在空气压降为4kPa时可忽略第三级旋流气流,一二级旋流气流是近场区液滴平均尺寸的主导因素。

旋流作用下的液膜初始破碎可视化实验研究

利用背光照明和高速相机,对强剪切气动雾化喷嘴出口雾化进行了可视化实验研究,探究旋流中的液膜初始破碎特性及一二级旋流对液膜初始破碎的影响。唯象描述了液膜破碎过程和模式,并分析图像获得表征液膜初始破碎特性的物理量:液膜破碎长度和径向拍振频率。实验结果表明:旋流作用下液膜破碎主要为液袋破碎和液丝破碎模式,这与平面液膜相似,且受工况的影响规律也相同,但旋流作用使得破碎过程和模式叠加,更为复杂。液膜破碎长度主要由一级旋流决定,二级旋向的影响可忽略。径向拍振频率认为是由Kelvin-Helmholtz(KH)和Rayleigh-Taylor(RT)不稳定机理共同主导,且受一二级旋流共同影响;此外,在大气流流量时,同旋更有利液膜失稳破碎,即径向拍振频率更大,而小流量时反旋更利于破碎。进一步由实验数据得到拟合经验公式,两者吻合良好,且发现径向拍振频率可能与旋流数之间存在关联。最终认为旋流作用下液膜更易失稳破碎,且一级旋流决定了液膜初始破碎的基本形态,二级旋流起强化剪切和辅助作用。

典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1∶4∶1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明,对于进、出气板间距不大的层板模型,出气板内表面的换热系数最大,扰流柱表面的换热系数次之,进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明,相同流量下随着进气孔直径的增大,流阻系数增大,进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大,流阻明显减小,进气板内表面的换热减弱,出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大,流阻增大,进气板内表面的换热增强,出气板内表面的换热变化不大.

基于粒子群算法的多级低压涡轮一维气动优化设计方法

为探究涡轮高效设计技术,从低维优化层面出发,提出了一种基于粒子群优化算法的多级低压涡轮一维设计和优化方法。该方法以涡轮效率为目标,通过建立涡轮子午流道形式以及气动特性等约束条件将涡轮一维设计转化成包含约束限制的极大值优化问题。在验证粒子群算法优化性能的基础上发展了多级低压涡轮一维气动优化设计程序,该程序通过优化地选取涡轮各级的多个设计变量,有效地生成满足多个约束条件的级最佳速度三角形以及最佳初步子午流道形式。利用该程序完成了原型低压涡轮的优化改型工作,三维数值模拟结果表明,优化改型方案在设计点和非设计点的气动性能均获得了不同程度的改善。

模型燃烧室中值班火焰的燃烧不稳定性分析

针对模型燃烧室中值班火焰的燃烧不稳定性问题,实验测量燃烧室内多点动态压力和火焰图像,利用快速傅里叶分析、本征正交分解(POD)等方法进行分析。结果表明:随着当量比增大,值班火焰的稳定性发生2次分岔现象,相应的不稳定模态分别对应系统的3阶、2阶本征纵向声学模态,均发生极限环振荡。POD结果表明:涡声频率锁定,发生在燃烧室纵向声学模态频率处,燃烧室内发生声-涡-火焰耦合的不稳定过程。而伴随着当量比提高,一方面,大尺度旋涡脱落改变火焰面积引发强烈放热振荡,声能产生增大;另一方面,两分支火焰张角不断增大,火焰位置主要波动方向与主要声学波动沿同一轴线。两方面作用下热声耦合更加容易,热释放脉动与压力脉动耦合的相位角减小,进而发生模态转换。

非定常来流压力下基于DMD方法的预冷器换热特性

采用大涡模拟方法对非定常来流压力条件下叉排管束预冷器换热特性进行了研究,同时运用动力学模态分解方法对流场主控流动结构进行了识别,探讨了来流压力周期性变化频率对预冷器内部流动、换热性能和熵产的影响。结果表明:来流压力变化频率对预冷器时均和瞬态换热性能影响均不显著,但当来流压力变化频率增大至流场固有频率950 Hz时,流场发生共振,换热性能发生剧烈振荡;管束壁面剪切层运动和绕流脱落涡结构为主控流动结构,其时空演化过程对瞬时换热性能起决定作用;当流场发生共振时,剪切层的生长和演化与来流速度的脉动密切相关,前排管束的绕流涡脱落周期与来流压力/速度变化周期一致,而壁面剪切层的生长周期则为来流压力/速度变化周期的两倍。此外,叉排管束流场的换热熵产决定于主控流动结构,其时空演化特征与主控流动结构演化规律完全一致。