空间发动机离心喷嘴非定常雾化机理及动态特性研究

The dual-component space engine uses a swirl injector to organize atomization and combustion, while the spray impinges on the wall to form a cooling film to protect the combustion chamber. Whether in the steady state mode or the pulse mode, the swirl injector has an unsteady spray phenomenon, which tends to cause combustion instability and damage of the engine structure. It is of great scientific significance and engineering application value to carry out research on unsteady atomization mechanism and spray dynamic characteristics. This project uses a combination of theory, numerical simulation and experiment to study the unsteady atomization mechanism, spray dynamic characteristics and flow characteristics of the cooling liquid film of the swirl injector. For the atomization mechanism research, the linear development stage, weak nonlinearity and strong nonlinear phase of the spray development will be studied by means of parameter oscillation stability analysis, perturbation method and numerical simulation, respectively. The injector dynamic characteristics in the pulse mode will be analyzed based on injector dynamics theory. Based on the established atomization model, the dynamic characteristics of the atomization performance parameters will be analyzed using the frequency method; the mechanism of self-oscillation in swirl injector will also be studied. The research on the flow characteristics and flow stability of cooling films will be performed. At the same time, an experimental system will be built to verify the theoretical and numerical simulation results. Through the research of this project, we could have a comprehensively understanding on the unsteady atomization mechanism and spray dynamic characteristics, and provide theoretical basis and guidance for practical application.

空间双组元发动机使用离心式喷嘴组织雾化和燃烧，同时喷雾撞壁形成冷却液膜保护燃烧室。无论在稳态模式还是脉冲模式下，离心喷嘴都存在非定常喷雾现象，易引发不稳定燃烧，破坏发动机结构。开展非定常雾化机理及喷雾动态特性研究具有重要的科学意义和工程应用价值。本项目采用理论、数值模拟和实验相结合的手段，对离心喷嘴非定常雾化机理、喷雾动态特性以及冷却液膜流动特性进行研究。对于雾化机理研究，采用参数振荡稳定性分析、摄动方法以及数值模拟方法分别对喷雾的线性发展阶段、弱非线性和强非线性阶段进行研究。基于喷嘴动力学理论分析脉冲模式下喷嘴的动态特性；基于所建立的雾化模型，使用频率法对雾化性能参数的动态特性进行分析；研究喷嘴自激振荡机理。开展冷却液膜流动特性和流动稳定性的研究。搭建实验系统，对理论和数值模拟结果进行验证。通过本项目的研究，力争对非定常雾化机理和喷雾动态特性进行全面认识，为实际应用提供理论依据和指导。

被资助人以空间双组元发动机中的离心喷嘴非定常雾化问题为研究背景，提炼其中的科学问题，围绕非定常条件下离心喷嘴雾化机理、离心喷嘴动态特性以及射流撞壁形成液膜的流动及稳定性等科学问题开展研究，取得了一系列研究成果。（1）在非定常条件下，离心喷嘴压强的振荡传递给喷嘴产生的液膜，液膜在非定常条件下产生失稳，最终破碎为液滴。通过双模态分析的方法解决了喷嘴至液体射流扰动的传递问题，通过Floquet理论解决了圆环液膜在非定常条件下的失稳建模，通过全波长积分的方法构建起了失稳液膜与液滴尺寸之间的联系，最终获得非定常条件下的离心喷嘴雾化模型。（2）空间发动机离心喷嘴多为同轴双离心喷嘴，基于非定常伯努利方程获得了内、外喷嘴的传递函数，通过分析内、外喷嘴之间的关系获得了同轴喷嘴整体的传递函数；搭建了含有真空舱的雾化实验系统，对同轴双离心喷嘴在大气及真空下的脉冲喷雾过程进行了研究，获得了对不同环境下脉冲喷雾特征和差异的清晰认识。（3）空间发动机中的离心喷嘴兼具喷管壁面冷却的作用。通过分析液膜边缘的质量守恒和受力平衡得到微分方程组，通过数值求解方程组得到射流撞壁形成液膜的厚度及速度特征；通过权重残差方法建立了贴壁液膜流动的动力学模型，在其基础上进行线性稳定性分析，得到了液膜失稳的临界雷诺数。本项目开展的研究为构建一套完整的非定常条件下空间发动机离心喷嘴的雾化、喷雾动态特性以及冷却液膜的理论模型奠定基础，为空间双组元发动机的设计和性能改进提供更加准确的理论依据和指导。