倾斜射流撞壁实验研究及液膜几何参数建模

发布时间：2021-12-02 18:46

　　倾斜射流撞壁在液体火箭发动机液膜冷却、射流撞壁雾化等领域具有广泛的应用。为了研究倾斜射流撞击壁面后形成的液膜的关键特征,开展单股圆柱射流撞击壁面的实验研究。从实验中研究各射流参数对液膜外形的影响规律,继而开展理论建模,获取液膜外形的关键几何参数表达式。实验研究发现随着射流倾角增大,液膜长度减小而宽度增大,随着射流孔径和射流速度增大液膜长度和宽度均增大这一定性规律。理论分析得到了液膜最大宽度位置与液膜对称面的夹角近似等于射流倾角α,液膜的长宽比近似等于1+cotα。通过进一步分析得到液膜宽度、最大宽度距撞击点的距离、液膜长度这几个液膜关键参数的表达式。建立的液膜几何参数表达式预测结果与实验结果的误差均在20%以内。 

【文章来源】：航空学报. 2020,41(12)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

实验装置

壁面采用透明的树脂平板，经测定，水在实验中所采用树脂平板上的平衡接触角为73°。实验加工了8只喷嘴，喷嘴截面如图2所示，dj为射流孔径，Lh为射流孔长度，α为射流倾角。8只喷嘴的射流孔径从0.3～1.0 mm变化，长径比Lh/dj均为10，并在射流孔入口处加工了45°倒角，喷头材质为不锈钢，实验中的喷嘴安装于喷杆之中，喷杆可以沿着角度调节盘转动，从而控制射流倾角，实验中，喷嘴与竖直平板夹角的误差不超过1°。喷杆虽然可以通过前后伸缩控制射流出口距壁面的距离，但是受限于喷嘴及其附属结构自身的结构尺寸，喷嘴出口实际上与壁面是有一定距离的，并且在实验过程中，喷嘴结构不能紧贴壁面，与壁面之间需留有空隙。另一方面，在实验中需要尽量缩短射流出口与壁面之间的距离。在综合考虑之下，在实验中保持喷嘴出口与壁面之间的距离为10 mm。即在图2中，射流中心O1与竖直平板的距离为10mm。在实验中，射流孔径、射流倾角、射流速度这3个因素可以进行调节，其中射流速度是根据流量及孔径计算得到的。针对轨姿控发动机内的液膜形成方式，开展射流撞壁的实验研究，以水作为实验液体，采用的射流孔直径变化从0.3～1.0mm，射流倾角变化从10°～40°，射流速度变化范围从5～20m/s。通过高速摄影拍摄，获得了100多组有效工况下的液膜铺展图像。实验中不同工况对应的各参数取值如表1所示。

同时可以定性观察到液膜形态随着射流条件变化的趋势。图4为孔径为0.4 mm、射流速度15m/s时，不同射流倾角对应的液膜形态。可以看出，随着射流倾角增大，液膜长度减小，宽度增大。图5是射流倾角为20°、射流速度15m/s时，不同射流孔径对应的液膜形态。可以看出，随着孔径增大，液膜长度和宽度均增大。图6为孔径为0.4mm、射流倾角为20°时，不同射流速度对应的液膜形态。可以看出，随着射流速度增大，液膜长度和宽度也均增大。图4 射流倾角对液膜形态的影响

【参考文献】：
期刊论文
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[5]液膜内冷与辐射外冷发动机室压上限的研究[J]. 张其阳,王兵,张会强,胡博文.  推进技术. 2013(06)
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博士论文
[1]空间轨控发动机高效燃烧室仿真与试验研究[D]. 林庆国.国防科学技术大学 2015



本文编号：3528982