3种压力型喷嘴在高速气流中的喷雾特性对比

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32554

流体力学与飞行力学

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3种压力型喷嘴在高速气流中的喷雾特性对比

王士奇¹(), 樊博², 韩祉炫², 万能¹, 马梁², 贾志刚¹, 温泉¹

^1.中国航空发动机研究院，北京 101304
^2.中国民航大学航空工程学院，天津 300300

收稿日期:2025-07-11 修回日期:2025-08-20 接受日期:2025-11-19 出版日期:2025-12-09 发布日期:2025-12-08
通讯作者: 王士奇 E-mail:wangsq6@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52306052);中国航发自主创新专项资金(ZZCX-2023-033)

Comparative analysis on spray characteristics of three pressure nozzles in high-speed crossflow

Shiqi WANG¹(), Bo FAN², Zhixuan HAN², Neng WAN¹, Liang MA², Zhigang JIA¹, Quan WEN¹

^1.Aero Engine Academy of China，Beijing 101304，China
^2.College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2025-07-11 Revised:2025-08-20 Accepted:2025-11-19 Online:2025-12-09 Published:2025-12-08
Contact: Shiqi WANG E-mail:wangsq6@126.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52306052);AECC Innovation Funds(ZZCX-2023-033)

摘要/Abstract

摘要：

为了对比自激扫掠喷嘴、圆孔直射喷嘴、空心锥离心喷嘴3种压力型喷嘴在高速气流环境下的横向喷射液雾特性，对3种压力型喷嘴在静止大气环境下的基本工作特性进行了初步分析；在马赫数为0.4的高速气流环境下，采用平面激光米氏散射成像法，分析了3种喷嘴在不同工况下的瞬时液雾形态、时均液雾浓度分布。结果表明，自激扫掠喷嘴在静止大气中的雾化性能介于直射与离心喷嘴之间，但在高速气流下，自激扫掠喷嘴的最大穿透深度比离心喷嘴高67%，是直射喷嘴的79%；展向散布距离与离心喷嘴相当，比直射喷嘴高150%。采用液雾矩形散布面积假设，则自激扫掠喷嘴的整体散布面积是离心喷嘴的1.67倍，是直射喷嘴的2.17倍。且自激扫掠喷嘴在中心截面、侧向截面上的相关高浓度区域面积均显著高于直射喷嘴、离心喷嘴，表现出最佳的液雾散布均匀度。研究初步证明了在高速气流环境下，自激扫掠喷嘴在提高液雾展向扩散距离、整体散布面积，改善液雾分布均匀度方面的特殊优势，可为冲压/加力燃烧室、射流预冷进气道等高速气流环境下的液态工质喷射提供全新的技术方案。

关键词: 自激扫掠喷嘴, 直射式喷嘴, 离心式喷嘴, 横向来流, 穿透深度

Abstract:

This study presents a systematic investigation into the transverse spray dispersion characteristics of three pressure nozzles， a self-excited sweeping nozzle， a plain-orifice nozzle， and a hollow-cone swirl nozzle， under high-speed crossflow conditions at Mach number 0.4. Initial characterization of their fundamental atomization performance was conducted in quiescent air， followed by spray field visualization in high-speed flow using planar laser Mie scattering imaging to quantify transient spray structures and time-averaged droplet concentration distributions. The results show that the self-excited sweeping nozzle demonstrated intermediate atomization performance between plain-orifice nozzle and hollow-cone swirl nozzle in quiescent environment. In high-speed crossflow， however， the self-excited sweeping nozzle achieves a 67% greater maximum penetration depth than the swirl nozzle and reaches 79% of that of the plain-orifice nozzle， and its spanwise spread distance matches the swirl nozzle， both 150% exceeding the plain-orifice nozzle. Assuming a rectangular spray distribution area， the total coverage area of the self-excited sweeping nozzle is 1.67 times that of the swirl nozzle and 2.17 times that of the plain-orifice nozzle. Moreover， the high-concentration droplet regions in both the central and lateral cross-sections of the self-excited sweeping nozzle are significantly larger than those of the other two nozzles， demonstrating superior spray uniformity. This study preliminarily confirms the unique advantages of the self-excited sweeping nozzle in enhancing spanwise diffusion， total spray coverage， and distribution uniformity in high-speed airflow environments. These findings provide a novel technical solution for liquid injection applications under high-speed airflow conditions such as scramjet/afterburner combustors and jet precooling systems.

Key words: self-excited sweeping nozzle, plain-orifice nozzle, simplex swirl nozzle, crossflow, penetration depth

中图分类号:

V231.2

王士奇, 樊博, 韩祉炫, 万能, 马梁, 贾志刚, 温泉. 3种压力型喷嘴在高速气流中的喷雾特性对比[J]. 航空学报, 2026, 47(8): 132554.

Shiqi WANG, Bo FAN, Zhixuan HAN, Neng WAN, Liang MA, Zhigang JIA, Quan WEN. Comparative analysis on spray characteristics of three pressure nozzles in high-speed crossflow[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(8): 132554.

图/表 25

图 1

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表1

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

实验件	孔径/mm	流量数/（kg·h^-1· MPa^-0.5）	来流风速u_a/ （m·s^-1）	燃油压降/MPa	燃油流量 m/（kg·h^-1）	燃油喷射特征速度 u_j/（m·s^-1）	液气动量比q	横流特征尺寸/mm	韦伯数 We
直射式喷嘴	0.4 （几何孔径）	11.4	142	1.5	13.96	39.6	56	0.40	314
				2.0	16.12	45.7	82
				3.0	19.75	57.4	121
离心式喷嘴	0.4 （流量等效孔径）	11.3	142	1.5	13.84
				2.0	15.98
				3.0	19.57
自激扫掠喷嘴	0.4 （几何等效孔径）	13.3	142	1.5	16.80	32.1	40	0.56	443
				2.0	19.04	37.1	52
				3.0	22.91	45.5	75

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Comparative analysis on spray characteristics of three pressure nozzles in high-speed crossflow

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