凝胶推进剂模拟液撞击雾化特性研究

为了寻求凝胶推进剂雾化机理、提高其雾化效果,开展幂律流体双股圆柱射流撞击的理论和实验研究。首先推导了幂律型流体射流撞击形成液膜的理论模型,在其中引入粘性力和能量损失。进而通过设计凝胶模拟液射流撞击实验,使用高速摄像机拍摄图像的方法进行了相关的实验研究,以验证理论的正确性。在此基础上,对撞击角度、射流速度分布及液体部分物性参数对液膜形状、厚度及速度分布的影响进行了分析,得到了相关参数的影响规律。研究结果表明,射流撞击角、速度型、液体表面张力系数、流变特性等均对液膜特性有明显影响,且流体本身的物理性质对撞击形成的液膜的影响更甚。     

基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa~0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。     

非牛顿流体射流雾化特性研究进展

本文总结了有关非牛顿流体射流雾化特性的研究进展。首先,阐述了预测非牛顿液体射流初次雾化失稳特性的理论方法,介绍了有关非牛顿流体射流初次雾化的实验现象和特性参数。当射流初次雾化的过程结束后,破碎产生的液滴会在高速气流中发生二次雾化。随后,总结了国内外有关非牛顿流体液滴二次雾化实验研究的相关进展。分析了液滴二次雾化的实验现象,总结了不同种类液滴二次雾化过程中所研究特性参数,如破碎模态、临界韦伯数和初始变形时间等随来流气体参数之间的关系,并介绍了基于液滴二次雾化物理过程所建立的预测喷雾场液滴平均粒径的雾化模型。最后,基于目前的研究现状,给出了非牛顿液体射流初次雾化和二次雾化实验研究的后续重点研究方向及建议。     

喷嘴形式对幂律型非牛顿推进剂雾化特性的影响

为寻求幂律型非牛顿推进剂有效的雾化喷嘴形式,采用与该推进剂流变特性基本一致的水基模拟液对直流式喷嘴、撞击式喷嘴、剪切撞击式气动雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴和离心式喷嘴进行了雾化特性实验,比较了喷嘴形式及其结构参数对雾化特性的影响.结果表明:撞击式喷嘴是一种有效的雾化形式,撞击角度和射流速度是主要影响参数;气泡雾化喷嘴是一种高效的雾化方法,在约为4%的气液比下使水基模拟液破碎并产生液滴.      

撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征

采用激光全息和图像处理技术,研究了撞击式喷嘴撞击角和射流速度对凝胶推进剂雾化性能的影响,撞击角范围为40°~90°,射流速度范围为15~55 m/s。研究了气/液撞击对凝胶推进剂雾化性能的影响,结果表明:增大撞击角和射流速度均有助于凝胶推进剂的雾化;减小射流直径有利于凝胶推进剂雾化;凝胶推进剂的极限表观粘度是影响其雾化的主要因素。分析了撞击式喷嘴凝胶推进剂喷雾场的特征,认为在本文研究的范围内,可以将凝胶推进剂喷雾场依次分为规则扇型的液丝区域、紊乱网状的液丝区域和液丝与液滴共存区。     

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。     

互击式喷嘴燃烧室燃烧效率实验

为了获得凝胶推进剂火箭发动机高效燃烧室的设计参数,依据推进剂特性,设计了7种不同结构的燃烧室,通过实验手段,研究了燃烧室特征长度、喷嘴孔径和推进剂物性等参数对燃烧效率的影响。结果表明:增大燃烧室的特征长度,增加了推进剂的停留时间,有利于推进剂充分雾化和燃烧。减小撞击孔径,提高了射流的剪切速率,降低了推进剂的粘性,可以改善雾化和燃烧效率。为了提高含碳凝胶推进剂的燃烧效率,需减小碳粒粒度或者增加燃烧室特征长度。     

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

幂律型凝胶推进剂射流撞击雾化SPH模拟

为研究幂律型本构关系对于凝胶推进剂雾化的影响,应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了凝胶推进剂的射流撞击雾化仿真,并与实验结果进行了对比。推导了幂律型本构关系的SPH求解方法,发展了三维隐式SPH算法,克服了凝胶推进剂的高粘度对于时间步长的限制。制备了胶凝剂含量分别为1%,2%的两种水基凝胶推进剂模拟液并进行了6种工况的雾化实验和数值模拟,证明了本文SPH方法可以有效模拟凝胶推进剂的雾化问题。对于本文研究的工况,雾化区内模拟液的表观粘度普遍高于10-2N?s/m2,从撞击点至雾化区下游,模拟液的表观粘度呈震荡上升分布。分析表明,雾化区下游的高表观粘度是造成凝胶推进剂雾化生成液丝及大尺寸液滴的重要原因。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

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。     

ADN基液体推进剂射流撞网雾化特性的试验研究

为了提升液体推进剂的雾化效果,采用二硝酰胺铵(ADN)基无毒空间推进剂,在近喷孔区施加金属网,利用高速摄影和马尔文粒度仪分别获得了喷雾撞网动态过程以及撞网后粒径分布,分析了金属网目数对于射流撞网破碎过程的影响规律。试验结果表明:金属网的添加,相比于自由射流,射流形态发生很大的变化,可以有效提高雾化效果;同时随着网目数的减少,撞网后雾化锥角逐渐增加,而平均粒径则逐渐减少。     

幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

某高分子胶凝剂凝胶推进剂模拟液的流变特性

高分子胶凝剂凝胶推进剂是很有前景的凝胶推进剂之一,研究它的流变特性对于其应用至关重要,是凝胶推进技术的基础和关键.本文采用旋转流变仪法和管流法相结合的试验方法,以试验结果为基础,依据基本方程进行理论推导的分析方法,研究了某高分子胶凝剂凝胶推进剂模拟液的流变特性,提出了可在整个剪切速率范围内使用的流变模型.该流变模型以临...     

基于SIFT算法的含碳颗粒凝胶推进剂雾化场速度分析

雾化是凝胶推进技术的关键问题之一,雾化过程中的液膜、液丝及液滴等的速度分布、液膜厚度等参数对于判断雾化效果、揭示雾化机理具有重要作用。为了对含碳颗粒凝胶推进剂雾化场的速度进行定量分析,提出了一种基于SIFT关键点匹配的雾化场速度计算方法,并以雾化场速度分析为基础,提出了一种新的液膜厚度估算方法。结果表明:雾化场速度随射流速度的增大而增大,随撞击角度的增大而减小;雾化场平均速度与射流速度的比值vato/vjet在0.6~0.9,可用于表征雾化效果,vato/vjet越小,雾化效果越好;射流撞击形成液膜的厚度在0.04~0.13mm,液膜厚度随着射流速度及撞击角度的增大而减小;凝胶推进剂的雾化效果随着碳颗粒浓度的增大而降低,随着碳颗粒粒径的增大而略有改善。     

凝胶推进剂管道输送系统流阻特性实验和数值研究

为研究凝胶推进剂的流变特性,建立了两种不同结构的凝胶推进剂管道输送系统模型。在直管流变特性实验基础上,确定了凝胶推进剂的流变参数,采用凝胶推进剂和水对整个凝胶推进剂管道输送系统流动进行了数值模拟,并将结果与输送系统流阻实验的实验值进行了对比分析。结果显示数值计算结果与实验结果吻合较好。     

凝胶一甲基肼/四氧化二氮雾化特性试验研究

为了研究凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)的雾化特性,在单喷嘴矩形燃烧室内进行凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的可视化试验研究。试验采用两股燃料撞击一股氧化剂(F-O-F)及两股氧化剂撞击一股燃料(O-F-O)的三股互击式喷嘴,试验时先关闭中间路推进剂,采用高速摄影观测了两侧推进剂90°自击雾化图像,随后观测了燃烧条件下凝胶MMH/NTO三股互击时液相推进剂的雾场阴影图像,通过图像处理,分析了喷嘴类型及射流速度对雾化锥角及破碎长度的影响。结果表明,凝胶NTO自击雾化时雾场以细小液滴为主,而凝胶MMH黏度较高,雾化较困难,自击雾化时雾场主要是液膜和液丝,故可推断燃烧条件下凝胶MMH/NTO液相推进剂雾场阴影图像里观察到液膜和液丝主要是凝胶MMH推进剂;与90°两股撞击喷嘴相比,F-O-F形式三股互击式喷嘴的能量利用率较低,采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化锥角小于凝胶MMH推进剂90°自击雾化;相对F-O-F形式三股互击式喷嘴,凝胶MMH/NTO采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时的雾化锥角更大,破碎长度更短,故采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化性能更优。     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

凝胶自燃推进剂撞击雾化燃烧特性试验研究

为研究凝胶自燃推进剂撞击雾化的燃烧特性,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了一甲基肼和四氧化二氮(MMH/NTO)及凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的对比试验。试验拍摄了燃烧条件下液态推进剂的雾化图像及OH基自发辐射图像,其中雾化图像采用高速相机及阴影方法拍摄,OH基自发辐射图像采用带OH基滤光装置的高速相机拍摄。结果表明:MMH/NTO撞击后能快速气化,只能观察到喷注面附近喷雾扇及少量细小液滴,而凝胶MMH/NTO撞击后形成的液膜及贯穿视场的液丝清晰可见,推进剂未完全气化燃烧,造成燃烧性能下降;凝胶MMH/NTO推进剂氧化剂燃料蒸发速率不匹配,彩色阴影图像可观察到大量待反应红棕色NO2气体;根据OH基自发辐射光亮度及分布,MMH/NTO在撞击角为75°,燃料射流速度为23m/s时即可充分燃烧,但凝胶MMH/NTO充分雾化燃烧需求撞击角及射流速度更大,着火及充分燃烧需求燃烧室更长。     

水下超声速气体射流线性稳定性研究

水下超音速气体射流稳定性是水下推进、水下焊接技术研究的焦点领域。通过建立线化小扰动气液混合流体控制方程,开展水下超音速气体射流线性稳定性研究。控制方程的形式表明射流基本流分布(速度与浓度分布)、雷诺数、无量纲密度、无量纲粘度能够影响水下超音速气体射流稳定性。使用Chebyshev配置点法对控制方程进行求解。计算结果表明射流基本流分布以及无量纲密度是影响射流稳定性的主要因素。射流基本流分布越平缓,射流最大扰动增长率越小;无量纲密度越小,即气液密度差越小,射流最大扰动增长率越小。随雷诺数增加,射流最大扰动增长率先减小后增加,当雷诺数大于105时,射流最大扰动增长率趋于常数。对不同无量纲粘度,射流扰动增长率-特征波数曲线高度重合。同时分析了射流不同截面的稳定性特征,计算结果表明射流最大扰动增长率随距喷口距离增加而减小。这些结论有助于理解水下超音速射流物理过程,为实际应用提供理论指导。