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单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析

王迪 聂万胜 周思引 王海青 苏凌宇

王迪, 聂万胜, 周思引, 等. 单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析[J]. 实验流体力学, 2018, 32(2): 18-23, 73. doi: 10.11729/syltlx20170162
引用本文: 王迪, 聂万胜, 周思引, 等. 单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析[J]. 实验流体力学, 2018, 32(2): 18-23, 73. doi: 10.11729/syltlx20170162
Wang Di, Nie Wansheng, Zhou Siyin, et al. Experimental analysis on the longitudinal high frequency combustion instability of a single-element model engine[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(2): 18-23, 73. doi: 10.11729/syltlx20170162
Citation: Wang Di, Nie Wansheng, Zhou Siyin, et al. Experimental analysis on the longitudinal high frequency combustion instability of a single-element model engine[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(2): 18-23, 73. doi: 10.11729/syltlx20170162

单喷嘴模型发动机纵向高频燃烧不稳定性实验分析

doi: 10.11729/syltlx20170162
基金项目: 

国家自然科学基金 91441123

详细信息
    作者简介:

    王迪(1991-), 女, 吉林四平人, 硕士研究生。研究方向:航天推进理论与技术。通信地址:北京市怀柔区3380信箱98号(101416)。E-mail:844106972@qq.com

    通讯作者:

    聂万胜, E-mail:nws1969@126.com

  • 中图分类号:  V434+.13

Experimental analysis on the longitudinal high frequency combustion instability of a single-element model engine

  • 摘要: 为掌握喷嘴缩进长度和燃烧室长度对气氧/煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响规律,设计并开展了单喷嘴模型发动机燃烧实验。实验选用了气液同轴离心式单喷嘴,采用中心供应氧气,液体煤油经切向孔沿轴向旋转进入喷嘴的形式,为测试燃烧稳定性,燃烧室和喷嘴缩进的长度分别作为实验变量,利用高频压力传感器采集数据,基于压力信号对实验结果,尤其是呈现的纵向高频燃烧不稳定性现象进行了细致地研究。结果表明:在本文研究条件下,随着缩进长度的增加,对纵向高频燃烧不稳定性产生阻尼作用,但不会消除纵向高频燃烧不稳定。燃烧室的长度在516和356mm之间存在某个值,使得喷嘴缩进长度对燃烧稳定性影响可以忽略。随着燃烧室长度的增加,一阶纵向声学频率逐渐减小,而幅值逐渐增强。出现这些现象的原因是燃烧过程压力振荡与声波存在相位差。此外,燃烧室长度对纵向高频燃烧不稳定性的影响比缩进长度更明显。
  • 图  1  气氧/煤油单喷嘴模型火箭发动机

    Figure  1.  Oxygen/kerosene single-element model rocket engine

    图  2  单喷嘴模型发动机几何结构示意图

    Figure  2.  Geometric structure of single-element model rocket engine

    图  3  气液同轴直流离心式喷嘴的结构示意图

    Figure  3.  Gas-centered liquid swirl injector element

    图  4  燃烧室长度676mm,缩进长度0mm时的压力振荡曲线

    Figure  4.  Pressure oscillation curve of combustion chamber with length of 676mm and indentation length of 0mm

    图  5  3种燃烧室长度频谱图

    Figure  5.  Three kinds of combustor length spectrum diagram

    图  6  发动机内各个动态过程的相互作用框图[20]

    Figure  6.  Block diagram of interactions between dynamic processes in an engine[20]

    图  7  燃烧室长度676mm时2种缩进长度的频谱图

    Figure  7.  The spectral diagram of two kinds of indentation length of combustion chamber at 676mm

    图  8  燃烧室长度356mm时两种缩进长度的频谱图

    Figure  8.  The spectral diagram of two kinds of indentation length of combustion chamber at 356mm

    表  1  模型发动机实验工况概览

    Table  1.   Test of engine summary

    燃烧室
    长度/mm
    缩进长度
    /mm
    氧气
    /(g·s-1)
    煤油
    /(g·s-1)
    混合比 声速流量计
    上下游压力比
    356 0
    12
    15
    100 100 1 0.379
    0.368
    0.368
    516 0
    12
    15
    100 100 1 0.357
    -
    -
    676 0
    12
    15
    100 100 1 0.379
    0.368
    0.369
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    表  2  不同燃烧室长度一阶声学频率理论值与实验值对比

    Table  2.   Comparison of theoretical and experimental values of first-order acoustic frequencies with different combustor lengths

    燃烧室
    长度
    /mm
    氧气
    /(g·s-1)
    煤油
    /(g·s-1)
    一阶声学
    频率理论
    值/Hz
    一阶纵向
    频率实验
    值/Hz
    理论与
    实际值
    偏差/%
    676 100 100 796.0 845 +5.80
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-27
  • 修回日期:  2018-02-11
  • 刊出日期:  2018-04-25

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    2021年8月13日