凝胶推进剂雾化研究现状及问题

简要介绍了凝胶推进剂的流变特性,将其流动过程分为三个阶段,列举出了适用于不同剪切速率下的本构方程。介绍了双股撞击式、三股撞击气动式、同轴离心式、脉动式喷注器凝胶推进剂雾化特性研究的现状,指出了影响雾化模式的多种因素及目前研究中存在的问题。     

凝胶燃料的雾化特性表征

在当前凝胶燃料研究中,重点是研究凝胶推进剂雾化过程的流变特性.实验证明假塑性的、有粘性但无弹性的水凝胶具有同牛顿液体一样的雾化模式,只是它们的雾化过程难度较大.实验结果说明雾化过程深受燃料中凝胶含量和喷注器几何形状的影响.由于凝胶组分含量升高引起剪切粘度升高,索太尔平均直径(SMD)也随之增加.宽角度的收敛流喷注器需要较小上游压力来达到与三个一组对称喷嘴相同的雾化性能.本研究还验证了通过凝胶剂融合来达到理想的流变特性.     

UDMH/NTO双组元凝胶推力器的初步探索

为了研制UDMH/NTO双组元凝胶推力器,利用理论分析、数值模拟及试验等手段对凝胶流变特性进行了初步研究;根据凝胶流变特性试验数据,利用最小二乘法拟合获得了凝胶流变特性参数;利用数值模拟研究了锥形流道锥角变化对凝胶流变特性的影响;设计了双组元凝胶推力器试验样机并完成了流量特性试验及热试车.结果表明,试验用UDMH/NTO两种凝胶推进剂流变特性较为接近;对于UDMH/NTO凝胶推进剂,通过数值模拟结果确定了最佳的锥角角度,可使凝胶平均表观粘度到达喷孔出口时降到最低;试验样机喷注器的流量特性数值模拟结果与试验值接近,说明该喷注器适合于凝胶的流动及雾化;热试车取得成功,获得了稳态、脉冲室压及结构温度等有效数据.     

凝胶推进剂及其模拟剂的制备和特性表征

高能凝胶推进剂的选择、制备、实验及特性表征是凝胶推进剂研究的关键环节.燃料凝胶化包括有机和无机两种胶凝剂.氧化剂的凝胶化使用了无机胶凝剂.此外选择和配制了凝胶推进剂的模拟剂,它具有与实际燃料和氧化剂相匹配的流变特性.制备了在流变学上相匹配的凝胶燃料和凝胶氧化剂、惰性凝胶模拟剂与凝胶推进剂,并对其流变学特性进行了分类.     

凝胶模拟液液滴碰撞的SPH数值仿真

雾化问题是凝胶推进技术研究的关键问题,雾化过程中不可避免地会出现液滴的碰撞。通过SPH方法对凝胶推进剂模拟液液滴的碰撞过程进行了数值模拟。针对气-液交界面处存在较大的密度、粘度梯度,对传统SPH方法做出改进。在此基础上,对空气中两个同尺寸的凝胶液滴碰撞过程进行了数值模拟,并与水滴的碰撞进行了对比,分析了凝胶推进剂的流变特性对于碰撞结果的影响。结果表明,凝胶液滴的碰撞动能在高粘度的作用下迅速耗散,液滴碰撞后,更易发生聚合,进一步增加了凝胶推进剂雾化的难度。     

基于SPH方法的凝胶推进剂一次雾化仿真研究

一次雾化中存在传统网格法难以解决的自由表面、大变形等问题,本文将光滑粒子流体动力学(SPH)方法探索性地应用于凝胶推进剂一次雾化仿真研究。模型粒子数保持在105左右,在高剪切速率下,将凝胶推进剂看作高粘度牛顿流体,研究了撞击速度、撞击角度以及凝胶推进剂物性参数对雾化效果的影响,仿真结果与实验结论基本一致。     

液体火箭凝胶推进剂燃烧特性研究进展

液体火箭凝胶推进剂燃烧特性是凝胶推进技术发展的关键问题之一。综述了液体火箭凝胶推进剂燃烧特性研究状况与进展,详细阐述了凝胶液滴燃烧机理,总结分析了凝胶推进剂燃烧特性三种试验研究方案和四种理论研究模型的特点,指出了研究凝胶推进剂燃烧特性的重要性并对进一步的研究工作提出建议。     

美国凝胶推进剂研究

本文介绍了美国凝胶推进剂的状况和研究成果,包括凝胶成分的选择、制备、试验及特性等方面,着重叙述了为开展凝胶推进剂所进行的配方制备过程和特性表征等内容.     

凝胶推进剂模拟液静电雾化行为规律研究

针对凝胶推进剂雾化困难的问题,引入静电喷射技术雾化凝胶推进剂。以水凝胶模拟液为介质,探究静电雾化技术的可行性及试验条件,当收集距离2~5 cm、供液速率10~30μL/h时,凝胶模拟液可实现稳定雾化,收集液滴直径小于100μm,散射角分布在8°~36°之间,收集液滴直径和散射角均随收集距离的增大和针管直径的减小而减小;同样条件下,凝胶粘度越小,散射角和雾化液滴直径越小。在此基础上,针对单针管推力小的问题,分析使用多针管喷头进行凝胶推进剂静电雾化的可行性及其雾化区域分布,结果表明2号凝胶模拟液用于多喷头雾化可得到良好的雾化区域分布,适用于凝胶推进系统之中。     

凝胶试验特性数据分析

针对凝胶推进剂压力损失的计算方法与常规推进剂存在很大差异,结合对非牛顿流体的理论分析,得出了凝胶推进剂在管路中的流动特性主要取决于其自身。对凝胶N2O4及凝胶UDMH液流试验的压力-流量数据,分别采用指数方程、多项式方程和直线方程三种方法进行曲线拟和、对比分析,反映了凝胶推进剂的非牛顿流体特性,对系统组建提出了一些建议,明确了凝胶试验系统试前应采用真实介质进行冷调,并为系统调试数据提供了可行的拟合方法。     

气动扇形喷嘴雾化特性的实验研究

为研究气动扇形喷嘴雾化特性,设计加工了不同角度、不同出口形式和不同尺寸的5种扇形喷嘴,并搭建了试验台架系统,进行了喷嘴雾化试验。根据试验测量结果,从流量特性和雾化特性方面分析了气液比、喷嘴结构等对喷嘴流量系数、喷雾场雾化粒径分布的影响,并定性给出了喷嘴结构对雾化特性的影响规律。     

变推力液体火箭发动机中针栓喷注器研究综述

为总结变推力液体火箭发动机中针栓喷注器的研究成果和梳理未来的发展方向，本文综述了该领域的研究进展。首先介绍了针栓喷注器的基本概念和研究意义，然后从设计原理、工程研制、雾化特性和燃烧特性等方面介绍了针栓喷注器的研究历史和现状，最后展望了针栓喷注器的发展趋势及需要研究的一些科学问题。分析表明，液液针栓喷注器、气液针栓喷注器的雾化特性和燃烧特性都还需持续开展研究。雾化特性中特别需要关注的是雾化角、混合特性和下漏率，还要探索针栓喷注器在反压下的雾化特性。燃烧特性中需要深入研究温度分布、火焰结构和燃烧稳定性。     

液体火箭发动机初始雾化液滴分布预测

在简要描述使用最大熵原理预测初始雾化液滴分布的基础上,发展了较传统方法具有更大收敛域的数值计算方法,建立了离心式喷嘴雾化特性研究实验台,使用激光相位粒子分析仪进行了雾化粒径分布研究,结果显示实验数据同使用最大熵原理预测的分布吻合性较好,在此基础上最后提出了在液体火箭发动机雾化粒径分布预测应用中的策略。     

燃气蒸汽式发射动力装置复杂内流场数值模拟

水下发射的燃气.蒸汽式发射动力装置内是一种包含了高温高压燃气湍流流动、冷却水射流的形成、喷嘴出口处的一次雾化、在横向高速燃气流中的二次雾化与汽化、含相变的水、汽两相流动等复杂的流动过程.应用CFD技术对水下发射试验低压强点和高压强点进行了含相变的三维两相加质流场数值模拟.结果表明,采用雾化理论和数值仿真技术计算得到的流场形态、特征点状态参数以及冷却水汽化情况等与试验结果基本吻合,这种新的计算方法可作为发射动力装置研究的一种有效手段.     

高速气流场燃油雾化液滴分布数值研究

针对亚燃冲压发动机燃烧室内部流动特点,结合二元稳定器试验台高速气流场燃油雾化特性试验,建立试验件三维模型并对其喷雾两相流动进行数值模拟。主要研究了来流马赫数以及喷嘴条件变化时燃油雾化液滴与油气比的分布。分析认为,来流马赫数的增加使得雾化特征角缩小,可同时改善燃油蒸发并获得更加均匀的油气比分布。随着供油压力的提高,离心式与直流式喷嘴雾化特征角均增大,但供油压力不是影响直流喷嘴雾化锥角的主要因素。计算结果与试验结果对比定性符合良好,定量误差范围可以接受,验证了计算模型与计算方法的正确性,所得到的结果可应用于工程设计。     

雾化过程的数值模拟研究综述

雾化过程的数值模拟主要有3类方法：简单工程模型、准直接数值模拟和多尺度仿真.对这3类方法的基本思想、优缺点和研究应用等情况进行了全面的总结.雾化过程的多尺度仿真,对大块液体的运动采用准直接数值模拟的思想,对小于网格尺度的小液滴采用模型来封闭.这种方法不仅能够反映雾化过程的主要特性,而且计算量适中,已经成为雾化过程数值模拟新的研究方向.     

超声速横向气流中喷雾的数值模拟

对超声速横向气流中的喷雾过程进行了数值模拟,采用二维N-S方程计算气相,应用一次雾化模型和二次雾化模型模拟了喷雾雾化过程,并与实验测量结果进行了对比。研究了湍流度和附面层厚度对液雾穿透深度的影响,发现湍流度和附面层厚度并不是主要的影响因素,认为雾化模型是影响液雾穿透深度的关键因素。     

静电雾化(电子喷射)技术理论基础及实验验证

文章介绍了静电雾化（电子喷射）的基本理论和雾化模式;并选用摩尔质量分别为200、300和400的聚乙烯乙二醇材料进行了静电雾化的实验验证。结果表明:在一定电压和容积流动率的情况下,PEG 300和PEG 400能够在稳定的锥体喷射模式下进行静电雾化,而且雾化喷射液滴尺寸与材料的黏度有关,随着材料黏度的增大而增大。文章最后指出,静电雾化技术在航天应用领域有很好的前景。