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自燃推进剂直流互击式喷嘴高压燃烧试验

航空学报 2024年第11期45卷 288-296页

作者：张锋孙毅尚帅杨宝娥西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100

为指导高室压液体姿轨控发动机推力室喷注器设计,采用铬青铜热沉燃烧室开展了四氧化二氮/一甲基肼(NTO/MMH)直流互击式喷嘴高压燃烧试验研究,获得了混合比、孔径比、鲁泊数、撞击角、燃烧室压力等参数对特征速度和燃烧效率的影响规律。... 详细信息

为指导高室压液体姿轨控发动机推力室喷注器设计,采用铬青铜热沉燃烧室开展了四氧化二氮/一甲基肼(NTO/MMH)直流互击式喷嘴高压燃烧试验研究,获得了混合比、孔径比、鲁泊数、撞击角、燃烧室压力等参数对特征速度和燃烧效率的影响规律。试验结果表明,随着混合比、孔径比、鲁泊数或撞击角的增大,实际特征速度和燃烧效率均呈现出先增大再基本保持不变最后减小的趋势;随着燃烧室压力的提高,实际特征速度和燃烧效率先明显增大后基本保持不变。当混合比在1.71~2.31、孔径比在1.2~1.4、鲁泊数在0.68~1.28、撞击角在70°~80°及燃烧室压力高于3 MPa时,燃烧效率可达0.97~0.98的较高水平。

关键词：姿轨控发动机直流互击式喷嘴自燃推进剂燃烧鲁泊数燃烧效率

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反压对撞击式喷嘴雾化特性影响

航空学报 2024年第11期45卷 239-248页

作者：吴慧博杨岸龙张锋杨宝娥连俊恺汤成龙西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对反压条件下雾化数据缺乏、雾化机制不清的问题,采用直流自击喷嘴,在反压雾化实验仓中开展了0.1~4.1 MPa环境条件下的雾化特性宏观及微观实验研究。基于高速阴影成像方法获得了不同反压下自击喷嘴的喷雾宏观形貌并提取出雾化角、雾... 详细信息

针对反压条件下雾化数据缺乏、雾化机制不清的问题,采用直流自击喷嘴,在反压雾化实验仓中开展了0.1~4.1 MPa环境条件下的雾化特性宏观及微观实验研究。基于高速阴影成像方法获得了不同反压下自击喷嘴的喷雾宏观形貌并提取出雾化角、雾化场液滴速度分布等数据,进一步通过相位多普勒粒子分析(PDPA)激光测量手段获得了不同反压下液滴直径概率密度分布及索特平均直径(SMD)等微观特性参数。实验结果表明,高反压会导致喷雾总体发展受到压缩,雾化角减小,且雾化液滴的数量密度更为稠密;液滴速度随着反压增大,衰减更为显著;但液滴SMD随反压增大呈现非单调演化规律,且演化规律与沿喷孔出口的竖直距离有关,即当反压小于1.1 MPa时,液滴SMD随反压的增大而减小,在H=20 mm处,当反压从1.1 MPa增大到3.1 MPa,SMD基本保持不变,而进一步增大反压时,SMD逐渐增大。在H=30 mm处,当反压大于1.1 MPa时,SMD逐渐增大。分析认为,反压增大导致更高的液滴数量密度,提升了液滴碰撞并聚合的概率,使高反压下液滴SMD增大。

关键词：撞击式喷嘴雾化反压液滴速度分布液滴直径

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液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题综述

航空学报 2024年第11期45卷 106-132页

作者：汪广旭李斌谭永华高玉闪西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 中国航天科技集团航天推进技术研究院西安710100

高频燃烧不稳定现象诱发的大幅值压力振荡严重威胁液体火箭发动机可靠性,为此,国内外开展了大量深入的研究工作。为了提高对此类问题及相关研究的整体认识,系统阐述了液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题的主要特点、关键物理机制、研究... 详细信息

高频燃烧不稳定现象诱发的大幅值压力振荡严重威胁液体火箭发动机可靠性,为此,国内外开展了大量深入的研究工作。为了提高对此类问题及相关研究的整体认识,系统阐述了液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题的主要特点、关键物理机制、研究思路等,重点梳理了国内外在液体推进剂燃烧子过程响应机理方面的研究工作,明确指出了燃烧速率控制过程对于此类问题分析的重要意义。在此基础上,详细总结了液滴蒸发和射流掺混作为速率控制过程的高频燃烧不稳定问题数值仿真研究进展,仔细归纳了线性和非线性理论解析分析方法面临的挑战,简要介绍了基于非线性动力系统的分析方法在揭示高频燃烧不稳定非线性行为以及稳定性裕度评估方面的重要潜力。最后,针对不同工程控制措施的内在联系、应用情况等进行了分析,特别强调了燃烧释热分布控制的重要性。

关键词：液体火箭发动机高频燃烧不稳定燃烧响应速率控制过程燃烧释热分布控制

液体火箭发动机高频纵向燃烧不稳定现象的随机性

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航空学报 2024年第14期45卷 189-199页

作者：汪广旭杨宝娥谭永华高玉闪李斌西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 中国航天科技集团航天推进技术研究院西安710100

围绕自燃推进剂液体火箭发动机燃烧室高频纵向燃烧不稳定现象的随机性进行了深入探讨,分析了结构振动数据在表征燃烧室压力振荡方面的有效性,对比了理论声模态和实测振型,基于蒸发过程作为速率控制的假设,对该燃烧室的稳定性进行了分析... 详细信息

围绕自燃推进剂液体火箭发动机燃烧室高频纵向燃烧不稳定现象的随机性进行了深入探讨,分析了结构振动数据在表征燃烧室压力振荡方面的有效性,对比了理论声模态和实测振型,基于蒸发过程作为速率控制的假设,对该燃烧室的稳定性进行了分析,并提出了造成不同供应系统下稳定性差异的2种假设模型。研究表明:由结构振动传感器测得的是燃烧室结构对燃气压力振荡场的响应结果,后者存在一定的频率选择性和非线性;实测突频幅值分布与该频率下的理论声模态基本吻合,确定该燃烧室发生了高频一阶纵向燃烧不稳定现象;线性模型结果表明,该燃烧室具有一定的稳定性裕度,但不能解释系统2条件下燃烧不稳定现象随机出现这一现象;系统2条件下该燃烧室的稳定性恶化或不同工况间的稳定性波动幅值增加,造成部分工况点落入非线性不稳定性区间,成为潜在的不稳定工况。

关键词：液体火箭发动机高频纵向燃烧不稳定供应系统随机性

旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率对比的实验研究

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实验流体力学 2024年第2期38卷 68-77页

作者：王致程严宇范玮王可杨宝娥胡洪波西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室西安710100 西北工业大学动力与能源学院西安710072

为验证旋转爆震波与燃烧室高频切向不稳定燃烧现象是否存在一致性,分别基于宽11 mm的环形燃烧室和圆柱形燃烧室,以乙烯为燃料,以富氧空气(体积分数33%、50%和100%)为氧化剂,通过改变氧化剂的供给流量和当量比开展实验研究。研究发现:在... 详细信息

为验证旋转爆震波与燃烧室高频切向不稳定燃烧现象是否存在一致性,分别基于宽11 mm的环形燃烧室和圆柱形燃烧室,以乙烯为燃料,以富氧空气(体积分数33%、50%和100%)为氧化剂,通过改变氧化剂的供给流量和当量比开展实验研究。研究发现:在环形燃烧室中,通过改变氧气体积分数得到了不同的旋转爆震波传播模态:当氧气体积分数为33%时为双波对撞模态,爆震波速度亏损为37%~63%,且双波传播频率低于燃烧室二阶切向声学频率;当氧气体积分数为50%和100%时,分别得到了单波和双波传播模态,爆震波速度亏损减小至14%~40%,且单波模态爆震波传播频率高于燃烧室一阶切向声学频率,双波模态爆震波传播频率高于燃烧室二阶切向声学频率。在圆柱形燃烧室中,当氧气体积分数为50%时得到了单波模态,部分工况下爆震波传播速度高于理论C−J速度,且氧化剂流量越大,这一趋势越明显,大部分工况下旋转爆震波传播频率均高于燃烧室的一阶切向声学频率。上述研究表明旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率的数值大小和变化规律均不相同,说明旋转爆震波与高频切向不稳定燃烧现象并不存在一致性。

关键词：环形燃烧室圆柱形燃烧室爆震波传播模态爆震波传播频率燃烧室切向声学频率

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宽工作范围诱导轮空化不稳定及抑制

力学学报 2024年

作者：项乐许开富陈晖谭永华李雨濛林荣浩西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室航天推进技术研究院

涡轮泵是液体火箭发动机的心脏，在特定工况下其内部会发生空化不稳定现象，导致涡轮泵振动量级大幅增加，严重影响发动机整机工作可靠性。以决定涡轮泵抗空化能力的关键部件诱导轮为研究对象，利用空化可视化实验和数值仿真对其内部空... 详细信息

涡轮泵是液体火箭发动机的心脏，在特定工况下其内部会发生空化不稳定现象，导致涡轮泵振动量级大幅增加，严重影响发动机整机工作可靠性。以决定涡轮泵抗空化能力的关键部件诱导轮为研究对象，利用空化可视化实验和数值仿真对其内部空化流动特性进行深入分析，获得60%～120%设计点流量范围完整空化性能曲线，提出一种基于壳体改进的旋转空化抑制措施，并揭示抑制机理，结果表明：该型诱导轮抗空化能力随流量降低逐渐增强，空化首先发生在泄漏涡中，随空化数降低，泄漏涡空化逐渐沿吸力面向下游发展，影响相邻叶片冲角，在小流量范围诱发显著的1.2倍叶轮转频超同步旋转空化现象，直至空化延伸至叶片流道出口，导致扬程断裂；在叶尖前缘壳体设置台阶不会影响诱导轮稳态空化性能，但会改变泄漏涡空化的发展规律，使其呈现向上游摆动的趋势，削弱对相邻叶片冲角的影响，实现对全流量范围旋转空化的有效抑制。本文研究对于降低涡轮泵振动量级，进一步提升液体火箭发动机工作可靠性有一定指导意义。

关键词：涡轮泵空化不稳定数值仿真可视化实验抑制技术

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长旋流腔敞口型离心喷嘴注气雾化特性试验

火箭推进 2024年第3期50卷 28-41页

作者：彭乐钦吴慧博徐天罡杨岸龙杨宝娥西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室陕西西安710100

以水和煤油模拟液作为液体工质,氮气和氦气作为注入气体,采用可视化试验技术和激光多普勒测速仪试验研究了不同气体流量作用下的长旋流腔敞口型离心喷嘴的雾化特性,包括喷注液膜破碎形态、气液两相混合建压与雾化粒径。研究结果表明:随... 详细信息

以水和煤油模拟液作为液体工质,氮气和氦气作为注入气体,采用可视化试验技术和激光多普勒测速仪试验研究了不同气体流量作用下的长旋流腔敞口型离心喷嘴的雾化特性,包括喷注液膜破碎形态、气液两相混合建压与雾化粒径。研究结果表明:随着气液质量流量比升高,破碎模式逐步由轮缘型破碎、多孔型破碎过渡到爆裂型破碎。雾化过程中在喷嘴出口处伴随间歇性的中心气流冲击,冲击长度随气体流量升高而增大,但冲击频率随气体流量呈非线性变化,在气体流量较高或较低时的冲击频率反而升高。注气显著提高了喷注压降和雾化均匀性,相同气体流量的条件下,氦气相较于氮气具有更快的建压速度和更高的建压值,但氦气作用下的两相混合建压时混合室内的压力波动更为剧烈;氦气吹除的雾化粒径普遍小于氮气,但过高的氦气注气流量易引起气流冲击,引起冲击间隔时间内的雾化分布不均。

关键词：离心喷嘴长旋流腔注气雾化破碎模式气液两相建压雾化粒径

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壳体开槽对诱导轮空化性能影响的数值分析

火箭推进 2024年第2期50卷 122-129页

作者：李炎栋赵强胡海峰项乐西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室陕西西安710100

为了提高诱导轮的空化性能,建立了壳体开槽诱导轮模型,采用数值计算方法对比了基准结构诱导轮和壳体开槽诱导轮的空化流动特性,通过分析不同空化数下叶片吸力面压力分布、诱导轮内部空化区的分布状态及扬程系数的变化,揭示了壳体开槽提... 详细信息

为了提高诱导轮的空化性能,建立了壳体开槽诱导轮模型,采用数值计算方法对比了基准结构诱导轮和壳体开槽诱导轮的空化流动特性,通过分析不同空化数下叶片吸力面压力分布、诱导轮内部空化区的分布状态及扬程系数的变化,揭示了壳体开槽提高诱导轮空化性能的详细机理。结果表明:壳体开槽改变了叶尖泄漏流的发展方向,在叶尖附近形成大尺度涡流,减小了压力面和吸力面之间的压力梯度,改善了诱导轮内部的压力分布。壳体开槽诱导轮的初生空化数小于基准结构诱导轮,对空化的产生有抑制作用;随着空化数从0.37减小到0.086,空化区域不断扩大,扬程系数几乎保持不变。相同空化数下,壳体开槽诱导轮的扬程系数略低于基准结构,但空化区明显较小,对空化的发展有一定的抑制作用。随着空化数的进一步减小,当空化数达到某个值附近,扬程系数先略微上升后再陡降直至发生空化断裂,壳体开槽诱导轮的临界空化数更小;从空化初生至空化断裂,壳体开槽诱导轮较基准结构诱导轮空化性能均有所提升。

关键词：壳体开槽空化数扬程系数空化性能

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驻波压力场速度波腹位置射流雾化的数值模拟

火箭推进 2024年第2期50卷 15-26页

作者：李佳楠隋禄涛周立新杨建文西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室陕西西安710100

为研究驻波压力场速度波腹位置射流的雾化特性,基于八叉树结构形式的网格自适应方法与多尺度仿真算法构建了射流雾化的数值模拟方案,通过在计算域边界施加扰动构建了一阶横向驻波压力场。在此基础上实现了振荡压力场与雾化的多物理场耦... 详细信息

为研究驻波压力场速度波腹位置射流的雾化特性,基于八叉树结构形式的网格自适应方法与多尺度仿真算法构建了射流雾化的数值模拟方案,通过在计算域边界施加扰动构建了一阶横向驻波压力场。在此基础上实现了振荡压力场与雾化的多物理场耦合计算,研究了驻波压力场速度波腹位置射流雾化的响应特性,基于气体动力学理论阐述了速度波腹位置射流雾化的响应机理。结果表明:基于自适应网格与多尺度仿真算法建立的雾化数值模拟方案可以实现雾化过程较为准确的求解,是研究雾化过程的有力工具;反压振荡与雾化的耦合求解算法可以研究振荡压力场下的雾化特性,对于进一步认识非定常雾化特性并揭示热声耦合机理起到重要的作用;射流处于速度波腹位置时,圆柱射流发生变形变成扁平液膜,并伴随气流的运动发生周期性摆动,破碎长度减小,破碎程度加剧。

关键词：射流雾化驻波压力场速度波腹网格自适应多尺度仿真