● 摘要
同轴喷嘴广泛应用于液体火箭发动机中，其结构设计及性能保证是每个型号液体火箭发动机研制过程中的难点之一，具有良好稳/动态特性的同轴喷嘴可以保证液体火箭发动机高效、稳定的燃烧。同轴喷嘴的工作过程较为复杂，涉及到喷嘴结构形式、推进剂的物理性质（牛顿和非牛顿流体）、喷嘴内部流动流体动力学、缩进混合室内流体间相互作用、液体的雾化机理及喷雾场特性等方面，其中上述任何一个方面的基础研究，均是同轴喷嘴稳/动态特性的认识基础。基于此，本文主要围绕上述基础问题开展研究，主要研究内容如下：第一，以液体火箭发动机中喷嘴最常见的喷雾形式，即锥形液膜、边界受限的环形液膜和平面液膜为研究对象，考虑不同性质的推进剂（如呈现牛顿流体性质的推进剂和呈现非牛顿流体性质的凝胶推进剂）的影响，进行了锥形液膜、幂律型流体平面液膜、粘弹性流体平面液膜和受壁面限制的环形液膜的线性稳定性分析，讨论了流动参数及流体物性参数对液膜流动稳定性的影响规律，建立了液膜破碎特性的预测模型，为研究喷雾场的动态特性奠定了基础。第二，对组成同轴喷嘴的液体离心喷嘴的稳态喷雾场进行了实验研究。对收口型离心喷嘴的喷雾特性进行了实验研究，验证了所建立的锥形液膜破碎特性预测模型的准确性。对敞口型离心喷嘴的喷雾特性进行了研究，提出了预测敞口型离心喷嘴喷雾特性的经验公式。对凝胶推进剂用于离心喷嘴和振荡离心喷嘴的喷雾特性进行了实验研究，探索了凝胶推进剂的新型雾化方法。第三，以收口型离心喷嘴为研究对象，对离心喷嘴的切向通道、旋流腔和喷口内液流对于压力扰动的响应进行了分析，并考虑了扰动波的色散关系，得到了由喷嘴压降振荡引起喷嘴出口流量振荡的传递函数。在收口型离心喷嘴动态特性模型的基础上，考虑了旋流腔内轴向速度对喷嘴动态特性影响，推导出敞口型离心喷嘴动态特性传递函数。对具有双排切向通道的敞口型离心喷嘴动态特性进行了研究，发现当两排切向通道的轴向间距为扰动波波长的一半时，喷嘴能起到一定的阻尼振荡的作用。还对喷嘴、燃烧室和供应系统之间动态的相互作用关系进行了研究，推导了扰动在这三者之间传播的传递函数，对喷嘴结构参数、工况参数对传递函数的影响规律进行了分析。第四，设计并建立了喷嘴动态特性实验系统，研制了频率和振幅可调的流量脉动发生器，设计并研制出电导式脉动流量测量传感器。采用自制的标准环状液膜厚度标定装置，对传感器进行了标定实验，建立了传感器输出电压值与标准液膜厚度的关系。利用所制作的传感器在不同工况下对不同结构的离心喷嘴内部脉动流量进行了测量，得到了离心喷嘴结构参数和流动参数对喷嘴动态特性的影响规律，并与理论计算结果进行对比。实验结果与理论计算结果符合较好。最后，对气液同轴离心喷嘴的动态特性进行了理论研究。基于缩进段内气液两相流动为均相流动的假设，推导了气液同轴离心喷嘴缩进段的动态传递函数。在已经建立的液体离心喷嘴动态特性理论的基础上，结合缩进段动态传递函数，建立了气液同轴离心喷嘴动态特性理论模型。讨论了喷嘴结构参数和流动参数对气液同轴离心喷嘴整体的动力学特性的影响。通过以上研究，对液体雾化机理、喷雾特性、推进剂物理性质、喷嘴结构形式和结构参数、喷嘴内部流体动力学和缩进段内流体动态相互作用等因素对同轴喷嘴稳/动态特性的影响规律有了较为深入的认识，为全面了解同轴喷嘴稳/动态特性，保证液体火箭发动机高效、稳定的燃烧打下了基础。