脉冲爆震发动机燃油雾化研究及喷嘴设计

论文摘要

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新型发动机,具有燃烧效率高和结构简单等优点,被认为是21世纪最有发展潜力的发动机之一。脉冲爆震发动机对燃油的雾化要求较高,因此研究喷嘴的雾化原理对脉冲爆震发动机的性能改进具有重要的作用。本文利用VOF方法对离心式喷嘴内流场进行数值模拟,并根据脉冲爆震发动机的工作要求设计出一种新型喷嘴。本文工作分为三个部分：第一部分：简要推导离心式喷嘴的最大流量原理,采用VOF方法建立了离心式喷嘴的二维和三维模型。第二部分：以马占华的实验喷嘴作为研究对象,采用二维VOF模型,以水为工质,模拟了离心式喷嘴内液体的流动、空气涡核的形成、雾化锥角和液膜的变化过程。结果表明：液体在旋流室内的旋流属于典型的Rankine涡结构,喷嘴内大量微小涡流是离心式喷嘴压力损失的主要因素；分别研究了喷嘴的入口流量、入口压力、液体粘性和环境压力对喷嘴内流场的影响。当入口流量增加,压力增大,粘性减小时,喷嘴液膜的厚度减小,锥角增加,雾化的性能提高。而出口环境压力的改变对喷嘴的性能没有太大影响。第三部分：针对脉冲爆震发动机的供油要求,设计出一种新型离心式喷嘴,在实验中以汽油作为工质,研究新型喷嘴的压力流量关系。利用实验测量的流量,结合VOF模型模拟喷嘴的压力流量特性,并且和实验进行对比。结果表明,本文设计的离心式喷嘴满足脉冲爆震发动机的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究动机及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 离心式雾化喷嘴的实验研究
• 1.2.2 离心式雾化喷嘴的数值研究
• 1.3 雾化机理和喷嘴的分类
• 1.3.1 喷嘴雾化机理
• 1.3.2 喷嘴的分类
• 1.4 本文研究的主要内容和方法
• 2 离心式雾化喷嘴基本理论
• 2.1 最大流量理论
• 2.2 喷嘴的流量系数及雾化锥角
• 2.3 离心式雾化喷嘴的设计和校核计算
• 2.4 脉冲爆震发动机燃油喷嘴设计
• 2.4.1 脉冲爆震发动机油量设计
• 2.4.2 脉冲爆震发动机喷嘴设计
• 2.4.3 脉冲爆震发动机喷嘴校核
• 2.5 本章小结
• 3 喷嘴内流场的数值模拟
• 3.1 喷嘴内流场数值方法
• 3.1.1 ALE方法
• 3.1.2 VOF方法
• 3.1.3 表面重构
• 3.2 喷嘴内流动的控制方程
• 3.3 喷嘴的几何模型
• 3.3.1 大尺寸喷嘴的二维模型
• 3.3.2 大尺寸喷嘴的三维模型
• 3.3.3 脉冲爆震发动机设计喷嘴几何模型
• 4 计算结果和分析
• 4.1 喷嘴内流场的流动过程
• 4.2 喷嘴内流场分析
• 4.2.1 喷嘴内速度压力随时间的变化关系
• 4.2.2 喷嘴内速度分布
• 4.2.3 喷嘴内压力分布
• 4.3 流量变化对喷嘴雾化参数的影响
• 4.3.1 喷嘴流量对液膜厚度的影响
• 4.3.2 喷嘴流量对雾化锥角的影响
• 4.3.3 喷嘴流量对流量系数的影响
• 4.3.4 喷嘴流量对出口速度的影响
• 4.4 液体粘性对喷嘴的流场的影响
• 4.5 外界反压对喷嘴的流场的影响
• 4.6 本章小结
• 5 实验研究
• 5.1 实验系统和喷嘴
• 5.2 实验内容
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要工作与结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录