挂滴燃烧过程中微气泡的成核

利用高速显微摄像技术观测了航空煤油RP-3的微尺度挂滴燃烧过程,分析了油滴内微气泡成核的基本机理和表现形式.在凸曲率诱发的低压成核机理下,确证了3种具体成核形式:①挂丝/油滴界面成核.挂丝温度高于油滴温度,在交界面上由于温差诱导了蒸发效应形成微气泡成核.②颗粒/油滴界面成核.微油滴内的微米量级的丝状或球状杂质颗粒及胶质颗粒形成的凸曲率侧诱导低压,成为气泡的萌生的成核点.③油滴表面凹坑成核.重组分形成筏结构与油滴表面侧的线张力和表面张力同时作用,引起油滴表面内凹,凹坑的凸曲率侧气泡成核点.这些进展为深入研究微尺度燃烧奠定了基础.      

随机分布介尺度油滴群的燃烧特性

对液雾燃烧中随机分布油滴群的蒸发/燃烧特性进行了数值模拟研究,详细考虑了油滴尺寸、坐标分布、数密度等相关参数的随机性。采用一步总包反应机理对其进行大涡模拟,在不同的来流速度、环境温度下,剖析了不同数密度油滴群的阻力特性及蒸发率,并结合油滴群燃烧模态分析油滴间的相互作用规律。研究表明,油滴群燃烧模态同时包含单油滴三种油滴燃烧火焰模态；各油滴表面燃料蒸气的浓度分布呈现非对称性,反应核心区发生角度偏转；在强对流环境下,蒸发/燃烧油滴群的平均表面蒸发率与阻力系数的变化与蒸发/燃烧单油滴相似,油滴间的强烈相互作用加速了油滴群蒸发/燃烧的传热传质。      

挂滴燃烧中的微汽泡行为和液滴跳动

利用高速显微摄像技术,观察研究了RP-3微尺度挂滴燃烧过程中,微汽泡的核化、生长、聚并和溢出的行为过程及液滴跳动现象.结果得出:①液滴中微汽泡产生的位置;②在蒸发初期时由微汽泡引起液滴体积的膨胀;③在燃烧中由汽泡行为导致液滴的跳动;④液滴燃烧的稳定(不爆裂)现象.分析了表面张力在挂滴燃烧过程中的作用,确定了挂滴稳定燃烧的临界条件下的临界特征体积在2.5~5.0μL.      

固体火箭发动机Al_2O_3凝结及颗粒破碎的数值模拟

Al2O3凝结对固体火箭发动机Al颗粒的燃烧效率及燃气流动有很大影响。结合拉格朗日方法,建立Al2O3凝结模型,分析了在Al2O3烟雾凝结及颗粒自身破碎作用下,不同初始直径Al颗粒的燃烧效率及燃烧室流场的变化规律。计算结果与同条件下的测试数据有较好的吻合,颗粒分布符合相关实验现象。结果表明,小颗粒燃烧后,流场温度及Al2O3烟雾分布均匀;随颗粒初始直径的增加,径向出现明显分层现象;在发动机出口,小颗粒燃烧效率较高,颗粒中Al2O3质量分数较大,但破碎程度较小;随初始直径增加,颗粒燃烧效率逐渐降低,颗粒中仍含有大量未燃烧的Al,破碎程度提高,颗粒数目急剧增加。     

水倾倒入燃烧油过程的数值模拟研究

水倾倒入燃烧油会引发剧烈反应,整个过程极其复杂,实验方法难以捕捉其中细节。本文采用数值模拟方法重现了这一过程,对这一极具危险性的现象进行了深入分析,详细讨论了水倒入燃烧油池后引发的物理化学过程,建立了复杂过程的简化数学模型,并采用开源FDS火灾模拟软件进行了数值测试,验证了该模型的可行性。数值算例测试表明,喷溅油滴蒸发产生的油蒸汽,在热气流的带动下,快速弥漫于广大空间,因此油蒸汽在极短的时间内就可以被携带至远大于喷溅油滴所能到达的位置,造成火焰规模的急剧扩大,与此同时,爆发火焰的辐射热通量则急剧增长,会产生破坏性效果。     

煤油凝胶单液滴燃烧特性试验

利用二氧化碳激光器点火装置及高分辨率高速成像系统,开展了煤油凝胶单液滴在空气中的点火燃烧试验,观察了凝胶液滴在燃烧过程中的形态变化,为进行凝胶冲压发动机的总体设计提供依据。试验结果表明,煤油凝胶液滴的燃烧经历了煤油的蒸发燃烧、气泡产生、胶凝层形成、胶凝层破裂、微爆等物理化学过程,基本满足D²定律。分析了胶凝剂含量、硼含量对含硼煤油凝胶燃烧过程的影响。当硼含量一定时,随着胶凝剂含量的增加,含硼凝胶的稳定燃烧相对时间增加,但微爆过程更加剧烈;当胶凝剂含量一定时,随着硼含量的增加,含硼凝胶液滴的稳定燃烧相对时间缩短,微爆现象更加剧烈。     

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

液体单元推进剂滴的高温高压非定常分解燃烧理论

 本文建立了完整的液体单元推进剂滴在高温高压惰性介质中的非定常蒸发/分解燃烧理论模型。用全隐式有限差分格式,求解了偏二甲肼液滴在高温高压氮气介质中非定常分解燃烧的控制方程,得出了压力对偏二甲肼液滴蒸发速度的影响规律和达到超临界蒸发/分解燃烧的条件。     

结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究

为明晰结冰风洞中过冷大水滴（SLD）云雾演化特性,发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法,针对3 m×2 m结冰风洞主试验段水平收缩构型,分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性,探索了液滴变形破碎的影响,评估了构型出口处SLD液滴动量平衡和热平衡状态。研究结果表明：直径超过250 μm的SLD液滴在构型内会发生显著形变,液滴尺寸越大则变形程度越强,尤其在160 m/s工况下,当液滴直径超过750 μm后,SLD液滴甚至会发生破碎;液滴变形破碎效应会增大液滴加速度和液滴温度下降率,促使SLD液滴趋近动量平衡和热平衡状态;SLD云雾（最大液滴直径小于1 000 μm）在构型出口处会出现显著的粒径浓度分层、动量分层和热分层现象,其中直径小于100 μm的小尺寸液滴速度快、温度低且不断凝结,趋于平衡态,但直径超过500 μm的大尺寸SLD液滴速度慢、温度高且不断蒸发,则显著偏离平衡态;增大试验段气流速度尽管会减弱SLD云雾粒径浓度分层程度,但会增强动量分层和热分层程度,尤其在160 m/s工况下,SLD云雾会均匀分布在构型出口中心区域内（-0.75 m < Y < 0.75 m且-0.5 m < Z < 0.5 m）,与其平衡态间的最大速度差和温度差将分别超过18 m/s和20℃。     

一种新型高能推进燃料的研究

研制高强燃烧及有强油滴燃烧“微爆炸”特性的燃料是高能燃料研究的一个重要方面.在对各种燃料广泛试验的基础上发现,双叠氮化合物具有极高燃烧率并具有产生“微爆炸”的必要条件.试验还表明,某些卤代碳氢化合物的少量添加除能保持和改善双叠氮化合物的高强燃烧特性外,还能诱发早期的极强的油滴二次破碎(“微爆炸”).例如,dC5+dI6,dC5+dBr5混合燃料的燃烧率可比普通碳氢燃料大6～7倍,强烈的油滴二次破碎可发生在油滴仅烧掉初始质量的30～40%.实际应用时,这类燃料可望用作基本燃料或燃料添加剂,在JP4中添加少量dC10或dC11可诱发明显的,强烈的“微爆炸”,并可增加燃烧率约25%.     

正庚烷液滴在微细直管中的燃烧特性实验

为了解微细直管对液滴形成和燃烧稳定性的影响,采用正庚烷作为燃料在内径为4mm的石英直管中的进行了实验研究.其结果显示:首先在不加热时,容易形成液滴,正庚烷体积流量小于40μL/min 时,火焰稳定性受液滴滴落的影响较大,液滴的蒸发主要受到空气体积流量影响下的火焰位置的影响;大于40μL/min时,液膜形成,火焰受液滴滴落影响不大.其次,管壁加热温度为180℃时,正庚烷体积流量低于60μL/min时难以形成液滴,大于60μL/min时液滴滴落后不形成液膜,液滴的蒸发受空气流速的影响较大,在液滴滴落以及空气流速的影响下,微燃烧器温度的变化对燃料的蒸发产生更大的影响,富燃较贫燃更易形成连续的火焰.空气流速大小对管壁温度影响明显,空气流速越小,管壁温度越高,液滴蒸发速率越大.      

喷雾特性对液体火箭发动机燃烧稳定性的影响

用数值方法研究了一甲基肼／四氧化二氮自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）喷雾液滴直径对火箭发动机燃烧稳定性的影响。从喷雾特性对蒸发速率的影响规律出发,发展了喷雾液滴大小影响蒸发速率的物理模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞分析了燃烧不稳定性,应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,得到了对燃烧振荡的敏感分析,并给出了燃烧稳定性的极限图。     

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程，基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学，建立一维的全瞬态液滴燃烧模型，对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明，在超临界环境下，相比于煤油液滴纯蒸发过程，煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前；煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段，此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程；煤油液滴的火焰半径先增大，达到最大值之后开始减小，并减小为零，火焰温度在着火之后快速上升至最大值，并基本保持不变，在火焰半径减小为零之后开始降低；随着液滴初始直径的增大，火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟，着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性

针对推进剂液滴在惰性气体中的蒸发过程建立了非定常物理模型,并应用全隐差分格式离散模型方程进行数值求解。研究了液滴蒸发过程对环境气体压力振荡的响应特性,可为液体火箭发动机不稳定燃烧分析提供理论基础。      

A new stationary droplet evaporation model and its validation

The liquid droplet evaporation character is important for not only combustion chamber design process but also high-accuracy spray combustion simulation.In this paper,the suspended droplets' evaporation character was measured in a quiescent high-temperature environment by micro high-speed camera system.The gasoline and kerosene experimental results are consistent with the reference data.Methanol,common kerosene and aviation kerosene droplet evaporation characteristics,as well as their evaporation rate changing with temperature,were obtained.The evaporation rate experimental data were compared with the prediction result of Ranz-Marshall boiling temperature model (RMB),Ranz-Marshall low-temperature model (RML),drift flux model (DFM),mass analogy model (MAM),and stagnant film model (SFM).The disparity between the experimental data and the model prediction results was mainly caused by the neglect of the nat ural convection effect,which was never introduced into the droplet evaporation concept.A new droplet evaporation model with consideration of natural convection buoyancy force effect was proposed in this paper.Under the experimental conditions in this paper,the calculation results of the new droplet evaporation model were agreed with the experimental data for kerosene,methanol and other fuels,with less than 20％ relative deviations.The relative deviations between the new evaporation model predictions for kerosene and the experimental data from the references were within 10％.     

施放深度对气泡水体携带能力影响的实验研究

水中上升气泡对周围水体的携带能力受多方面因素的影响,由于测量手段缺乏等原因,其影响规律研究一直是两相流领域的难点。引入气泡上升携带水量的概念表征其水体携带能力的大小,进而利用专门设计的实验装置,采用双液分离测量法,调整喷嘴至27．5～52．5cm之间的不同施放深度,进行气泡上升携带水量的测量实验。结果表明：在注气量（20ml）和注气速度（3ml／s）等一定的条件下,随着气体施放深度的增加,气泡水体携带能力呈现缓慢增强并逐渐稳定的总趋势,但其间（施放深度约35．0～45．0cm）该能力会略有下降,并有极小值出现;且在绝大多数情况下,小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力稍强。上述结论可为化工等领域工程应用中设计合理气体施放深度、确定最佳喷嘴口径等问题提供参考依据。