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Experimental and theoretical study on the break phenomenon of self-pulsation for liquid-centered swirl coaxial injectors

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Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2022年第2期23卷 140-155页

作者： Peng-jin CAO Xiao BAI Qing-lian LI Peng CHENG Science and Technology on Scramjet Laboratory College of Aerospace Science and EngineeringNational University of Defense TechnologyChangsha 410073China

Experimental observations together with theoretical analysis were conducted to investigate the break phenomenon and the corresponding mechanisms of self-pulsation for a liquid-centered swirl coaxial injector with recess number of RN=1.Instantaneous spray images were obtained based on background light imaging technology with a high-speed camera.By dynamic analysis of the flow process of the liquid sheet in the recess chamber,a 1D self-pulsation theoretical model was established,and the self-sustaining mechanisms of self-pulsation were analyzed in depth.The results show that the increase of the momentum flux ratio will lead to the occurrence of the break phenomenon of self-pulsation for the injector with a larger recess length,and the frequency and intensity of self-pulsation before and after the break phenomenon differ significantly.The flow dynamics in the recess chamber sequentially transform from a periodic expansion-dominated flow to a stable flow,and then develop to a periodic contraction-dominated flow during the break process of self-pulsation.With the occurrence of self-pulsation before the break phenomenon,the liquid sheet has little effect on the pressure disturbance in the recess chamber.In contrast,with the occurrence of self-pulsation after the break phenomenon,the pressure disturbance is obviously affected by the liquid sheet.Based on the theoretical analysis model of self-pulsation,the self-pulsation frequency can be predicted.Furthermore,the self-sustaining mechanism of self-pulsation before and after the break phenomenon is preliminarily confirmed.The energy transfer between the gas-and liquid-phase is an important factor for maintaining the self-pulsation process.

关键词： Break phenomenon Theoretical model of self-pulsation Pressure oscillation characteristics Recess Liquid-centered swirl coaxial(LCSC)injector

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基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

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推进技术 2020年第7期41卷 1571-1579页

作者：周曜智李清廉李晨阳国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室湖南长沙410073

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精... 详细信息

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。

关键词：超声速气流液体射流自适应网格反转漩涡对二次激波

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液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

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推进技术 2021年第7期42卷 1593-1605,F0002页

作者：白晓李清廉成鹏曹鹏进国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室湖南长沙410073

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究... 详细信息

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。

关键词：火焰振荡自激振荡缩进流动模态液体中心式气液同轴离心式喷嘴

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超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型

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物理学报 2020年第23期69卷 190-203页

作者：周曜智李春李晨阳李清廉国防科技大学空天科学学院长沙410073 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型.基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液... 详细信息

对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型.基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失,提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型.利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像,研究的参数变量包括液体喷注压降(1-2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm/1.0 mm)及液气动量比(3.32-7.27).研究结果表明,采用连续液柱模型可以较好地预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态,并可较为真实地反映实际流场特征,预测结果与实验结果吻合良好.

关键词：超声速横向气流连续液柱射流轨迹显微成像

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超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟

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燃烧科学与技术 2020年第1期26卷 87-95页

作者：林森沈赤兵肖锋朱元昊国防科技大学空天科学学院

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,... 详细信息

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,可压缩流动求解器求解气相,不可压缩求解器求解液相.结果表明:脉冲射流的表面破碎和液柱破碎都得到了增强,射流破碎长度显著缩短,在所研究的脉冲频率方案下,脉冲引起的不稳定性会替代Rayleigh-Taylor不稳定性,主导射流一次破碎;由于射流速度的脉动,脉冲射流的穿透深度相比于稳态射流可以提高20%,尾迹区宽度可以扩大25%,展现了更好的雾化和混合效果.

关键词：超燃冲压发动机一次破碎脉冲射流界面追踪大涡模拟

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