反压条件下离心喷嘴动态特性实验

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27130

流体力学与飞行力学

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反压条件下离心喷嘴动态特性实验

高琦翔¹, 张丁为¹, 杨立军¹^,², 富庆飞¹^,²()

^1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191
^2.北京航空航天大学宁波创新研究院，宁波 315100

收稿日期:2022-03-08 修回日期:2022-04-06 接受日期:2022-05-24 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-06-08
通讯作者: 富庆飞 E-mail:fuqingfei@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11922201)

Experiment on dynamic characteristics of swirl injector under back pressure

Qixiang GAO¹, Dingwei ZHANG¹, Lijun YANG¹^,², Qingfei FU¹^,²()

^1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Ningbo Institute of Technology，Beihang University，Ningbo 315100，China

Received:2022-03-08 Revised:2022-04-06 Accepted:2022-05-24 Online:2023-04-15 Published:2022-06-08
Contact: Qingfei FU E-mail:fuqingfei@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11922201)

摘要/Abstract

摘要：

喷嘴动态特性的好坏，对液体火箭发动机燃烧稳定性具有重要意义。但由于缺乏高效的外部周期性脉动流量发生器，特别是在高反压环境下，引起管路来流较强振幅的压力、流量脉动变得更加困难。为解决上述问题，研制了利用惯性驱动可在高反压环境下产生强正弦信号的脉动流量发生器，在高反压环境下可激起高达15%以上的压力振幅；通过采用电导法测量离心喷嘴液膜厚度，从而获得脉动流量，分别在反压为0.5、1.0和1.5 MPa的环境下对其不同脉动频率下的动态特性进行实验研究，研究表明：反压的增加对离心喷嘴流量脉动具有抑制作用。对连续的喷雾图像进行互相关处理得到其不同反压环境下的脉动速度场，结果表明：随着环境压力的升高，其喷雾场速度传递函数振幅呈下降趋势，与反压对喷嘴传递函数的影响规律一致。

关键词: 脉动流量发生器, 反压, 动态特性, 脉动流量, 离心喷嘴

Abstract:

The dynamic characteristics of nozzles are of critical significance to the combustion stability of liquid rocket engines. However， the lack of efficient external periodic flow pulsator， particularly in the environment of high back pressure， increases the difficulty in generating pressure and flow pulsation with strong amplitude of pipeline incoming flow. To solve these problems， a flow pulsator is developed using inertia drive to generate strong sinusoidal signals which can generate pressure amplitude up to 15% in a high back pressure environment. The flow pulsation was obtained by measuring the liquid film thickness of the swirl injector with the conductance method. The dynamic characteristics of the swirl injector at different pulsation frequencies were experimentally studied under the conditions of 0.5， 1.0 and 1.5 MPa， respectively. The results show that the increase of the back pressure has an inhibitory effect on the flow pulsation of the swirl injector. The pulsating velocity fields in different back pressure environments were obtained by cross-correlation processing of continuous spray images， and the results reveal a decreasing trend of the amplitude of the spray velocity transfer function with the increase of ambient pressure， consistent with the influence rule of back pressure on the nozzle transfer function.

Key words: flow pulsator, back pressure, dynamic characteristics, pulse flow, swirl injector

中图分类号:

V434

高琦翔, 张丁为, 杨立军, 富庆飞. 反压条件下离心喷嘴动态特性实验[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127130-127130.

Qixiang GAO, Dingwei ZHANG, Lijun YANG, Qingfei FU. Experiment on dynamic characteristics of swirl injector under back pressure[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 127130-127130.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 1

实验离心喷嘴结构尺寸

参数	$R c$ /mm	$R t$ /mm	$R k$ /mm	$L c$ /mm	n	A
数值	1	1	3.2	10	2	2.2

表 1

图 7

图 8

表 2

液膜厚度测量不确定度

不确定度来源	置信区间半宽度 $a$ /mm	置信系数 $k$	A类标准不确定度 $u A$ /mm	B类标准不确定度 $u B$ /mm
标定棒	0.001	$3$		0.000 6
环境因素				0
测试重复度			0.017

表 2

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

参考文献 24

1	BAZAROV V G. Fluid injectors dynamics［M］. Moscow： Mashinostroenie Publication， Inc.， 1979.
2	BAZAROV V. Influence of propellant injector stationary and dynamic parameters on high frequency combustion stability［C］∥ 32nd Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 1996.
3	杨立军，富庆飞. 喷嘴对供应系统到燃烧室压力振荡传递幅频特性的影响［J］. 航空动力学报， 2008， 23（2）： 305-310.
	YANG L J， FU Q F. Effect of injector on pressure oscillation amplitude-frequency characteristics from pipeline to combustion chamber［J］. Journal of Aerospace Power， 2008， 23（2）： 305-310 （in Chinese）.
4	KHIL T， CHUNG Y， BAZAROV V G， et al. Dynamic characteristics of simplex swirl injector in low frequency range［J］. Journal of Propulsion and Power， 2012， 28（2）： 323-333.
5	DE CORSO S M， KEMENY G A. Effect of ambient and fuel pressure on nozzle spray angle［J］. Journal of Fluids Engineering， 1957， 79（3）： 607-614.
6	KENNY R J， HULKA J R， MOSER M D， et al. Effect of chamber backpressure on swirl injector fluid mechanics［J］. Journal of Propulsion and Power， 2009， 25（4）： 902-913.
7	薛帅杰，刘红军，洪流，等. 厚液膜敞口型离心喷嘴动力学特性试验［J］. 航空学报， 2018， 39（12）： 122534.
	XUE S J， LIU H J， HONG L， et al. Experimental on dynamic characteristics of an open-end swirl injector with thick liquid film［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（12）： 122534 （in Chinese）.
8	BAZAROV V G， YANG V. Liquid-propellant rocket engine injector dynamics［J］. Journal of Propulsion and Power， 1998， 14（5）： 797-806.
9	CANINO J， TSOHAS J， SANKARAN V， et al. Dynamic response of coaxial rocket injectors［C］∥ 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston： AIAA， 2006.
10	AHN B， ISMAILOV M， HEISTER S. Forced excitation of swirl injectors using a hydro-mechanical pulsator［C］∥ 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston： AIAA， 2009.
11	YANG A L， YANG S R， XU Y F， et al. Periodic atomization characteristics of simplex swirl injector induced by klystron effect［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2018， 31（5）： 1066-1074.
12	李佳楠，雷凡培，杨岸龙，等. 强迫扰动下的射流撞击雾化特性［J］. 航空学报， 2020， 41（12）： 124027.
	LI J N， LEI F P， YANG A L， et al. Atomization characteristics of impinging liquid jets coupled with forced perturbation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（12）： 124027 （in Chinese）.
13	富庆飞.液体火箭发动机同轴喷嘴稳/动态特性研究［D］. 北京：北京航空航天大学，2004：140-147.
	FU Q F. Investigation of the steady/dynamic characteristics of the coaxial injectors in liquid rocket engine［D］. Beijing： Beihang University， 2004：140-147 （in Chinese）.
14	杨立军，葛明和，张向阳. 液体离心喷嘴喷雾场动态特性的初步研究［J］. 航空动力学报， 2005， 20（6）： 1083-1087.
	YANG L J， GE M H， ZHANG X Y. Preliminary investigation on dynamic characteristics of swirl injector［J］. Journal of Aerospace Power， 2005， 20（6）： 1083-1087 （in Chinese）.
15	葛明和. 液体离心喷嘴动态特性试验研究［D］. 北京：北京航空航天大学，2006：15-17.
	GE M H. Experimental investigation of liquid swirl injector［D］. Beijing： Beihang University， 2006：15-17 （in Chinese）.
16	康忠涛，王振国，李清廉，等. 压力振荡对气液同轴离心式喷嘴自激振荡的影响［J］. 航空学报， 2018， 39（6）： 121988.
	KANG Z T， WANG Z G， LI Q L， et al. Influence of pressure oscillation on self-pulsation of gas-liquid swirl coaxial injector［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（6）： 121988 （in Chinese）.
17	AHN B， ISMAILOV M， HEISTER S D. Experimental study swirl injector dynamic response using a hydromechanical pulsator［J］. Journal of Propulsion and Power， 2012， 28（3）： 585-595.
18	WILSON M， LINEBERRY D， MOSER M. Experimental pulsator characterization for liquid injector research［C］∥ 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston： AIAA， 2009.
19	屈元元. 反压环境下喷注器雾化特性实验研究［D］. 北京：北京航空航天大学，2011：9-11.
	QU Y Y. Experimental study of injector atomization characteristics under high ambient pressure［D］. Beijing： Beihang University， 2011：9-11 （in Chinese）.
20	BAZAROV V， LEE E， LINEBERRY D， et al. Pulsator designs for liquid rocket injector research［C］∥ 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston： AIAA， 2007.
21	SUYARI M， LEFEBVRE A H. Film thickness measurements in a simplex swirl atomizer［J］. Journal of Propulsion and Power， 1986， 2（6）： 528-533.
22	FU Q F， YANG L J， QU Y Y， et al. Geometrical effects on the fluid dynamics of an open-end swirl injector［J］. Journal of Propulsion and Power， 2011， 27（5）： 929-936.
23	王向东，杨立军，富庆飞，等. 基于电压脉冲激励的液体电导测量新方法［J］. 仪器仪表学报， 2008， 29（5）： 1088-1091.
	WANG X D， YANG L J， FU Q F， et al. New liquid electrical conductance measurement method based on pulsed excitation voltage［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2008， 29（5）： 1088-1091 （in Chinese）.
24	王向东.离心喷嘴脉动流量电导式测量方法研究［D］.北京：北京航空航天大学，2008：44-47.
	WANG X D. Investigation on conductance measurement method of pulse flow in liquid swirl injector［D］. Beijing： Beihang University， 2008：44-47 （in Chinese）.

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[1]	曹鹏进, 白晓, 成鹏, 李清廉. 工作参数对气液同轴离心式喷嘴自激振荡特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528770-528770.
[2]	高丽敏, 欧阳波, 姜衡, 葛宁, 李瑞宇. 快速响应压力敏感涂料截止频率实验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 127556-127556.
[3]	丁水汀, 张向波, 杜发荣, 姬芬竹, 周煜. 石墨多孔介质气体轴承研究综述[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 525655-525655.
[4]	高丽敏, 姜衡, 葛宁, 杨冠华, 陈顺. 基于寿命法的压力敏感涂料静/动态特性实验[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 124120-124120.
[5]	林献武, 王仕超, 李智斌, 兰维瑶. 飞艇动导数与附加质量相互融合的方法[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 123648-123648.
[6]	王强, 马志赛, 张欣, 刘艳, 丁千. 基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 223507-223507.
[7]	孟彬, 王登, 徐豪, 刘备. 磁悬浮斜翼节静动态特性[J]. 航空学报, 2020, 41(5): 423358-423358.
[8]	夏天翔, 卢岳良, 柯兵. 飞机冲压空气涡轮系统的动态特性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 423242-423242.
[9]	薛帅杰, 刘红军, 陈鹏飞, 夏益志. 注气离心喷嘴喷注过程稳定性试验[J]. 航空学报, 2019, 40(7): 122697-122697.
[10]	张宽桥, 杨锁昌, 李宝晨, 刘畅. 考虑驾驶仪动态特性的固定时间收敛制导律[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 323227-323227.
[11]	薛帅杰, 刘红军, 洪流, 陈鹏飞. 厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验[J]. 航空学报, 2018, 39(9): 122189-122198.
[12]	刘庭申, 冯立好, 王晋军. S形进气道锤激波的动态特性[J]. 航空学报, 2018, 39(2): 121339-121339.
[13]	薛帅杰, 刘红军, 洪流, 陈鹏飞. 厚液膜敞口型离心喷嘴动力学特性试验[J]. 航空学报, 2018, 39(12): 122534-122534.
[14]	杨旭磊, 朱玉川, 纪良, 费尚书, 郭亚子. 超磁致伸缩电静液作动器的试验研究与特性分析[J]. 航空学报, 2016, 37(9): 2839-2850.
[15]	黄宇, 阎超, 席柯, 王文. 基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析[J]. 航空学报, 2016, 37(8): 2525-2538.

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