连续旋转爆轰发动机中液态燃料喷射雾化特性研究

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连续旋转爆轰发动机是利用爆轰波在环形燃烧室内的一端连续旋转传播,爆轰产物从另一端开口处高速排出并产生推力的新概念发动机,具有比冲大、工作频率高、结构紧凑的优点,是当前最具潜力的新型航空航天动力装置之一。随着工程研究的深入,采用液态燃料的连续旋转爆轰发动机成为研究的重点,其中液态燃料的喷射雾化是液态燃料发动机起爆及旋转爆轰波稳定传播的关键因素。本文通过数值计算和实验研究相结合的方式,对连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内液态燃料喷射雾化特性做进一步研究,主要工作有以下几点:(1)采用开源软件OpenFOAM中基于欧拉-拉格朗日方法的spray Foam求解器,对连续旋转爆轰发动机环形燃烧室内的液态燃料雾化过程进行数值模拟。(2)进行了不同喷注结构下液态燃料在环形燃烧室内雾化过程的数值计算,结果显示:在气液同轴雾化中当相邻喷嘴夹角为15°时粒径最小且分布较均匀;在气液横向雾化中来流速度和煤油射流速度的增加导致射流偏折程度增大,液滴粒径随之减小;在气液对撞雾化中射流贯穿距离受来流速度影响较大,而喷射角度的增加会导致液滴粒径和质量分布均减小。(3)开展了不同破碎模型下雾化过程数值模拟研究,在相同工况下得到了不同破碎模型下的煤油喷射雾化特性,同时对比可知,当不考虑初次破碎过程时采用Reitz Diwakar二次破碎模型最符合要求。(4)设计了三种燃料喷注结构,对不同喷注结构的煤油射流雾化过程开展实验研究,结果显示:在气液同轴雾化实验当来流氮气压力为0.6MPa时,液滴粒径最小,为11.2μm;在气液横向实验中液滴粒径随煤油压力增加而减小,射流偏折程度减小;在气液对撞实验过程中当煤油质量流量为9.2g/s时,液滴粒径最小,液滴分布较均匀。(5)通过数值模拟和实验研究对三种喷注结构下液态燃料雾化过程进行对比,发现气液对撞式兼顾液滴整体平均直径和射流贯穿距离,在环形燃烧室内是最合理的一种布置方式。本文通过数值计算和实验研究的方法揭示了液态燃料在环形燃料室内的雾化规律,对促进液态燃料CRDE的起爆和稳定传播具有十分重要的意义。
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