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。     

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。     

撞击角对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为了研究液体火箭发动机中撞击式喷嘴的雾化问题,采用CLSVOF(Coupled Level-Set and Volume-of-Fluid Method)方法对撞击式喷嘴的雾化过程进行了数值仿真模拟,重点考察了撞击角对撞击式喷嘴雾化特性的影响。结果表明,通过CLSVOF方法能对射流撞击雾化形态进行较好的捕捉;分析整个雾化区域的液相分布,将射流撞击雾化过程中的液相分布大致分为三个区域:撞击前两股独立射流区域、撞击后形成的液膜区域、液膜破碎后液丝和液滴的生成区域;射流撞击雾化除了气液界面上速度差引起的不稳定之外,还存在由射流湍流或撞击波引起的其它不稳定因素;液膜破碎长度随撞击角的增大而减小,液膜表面上的表面波幅值及液膜破碎程度则随撞击角的增大而增大;射流撞击在撞击点位置处所形成的速度差对液膜的破碎和液膜上表面波幅值的大小起到了关键作用。     

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。     

移动粒子半隐式方法GPU加速的双股射流撞击雾化模拟

为实现双股射流撞击雾化过程的高效数值求解并探究射流速度和撞击角度对雾化特性的影响规律，实现了移动粒子半隐式方法（MPS）GPU加速的双股射流撞击雾化模拟。GPU加速程序的最大加速比为16，取得了较好的加速效果。将GPU加速MPS方法应用于典型工况下的双股射流撞击雾化模拟，成功捕捉到了多尺度的液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程，模拟得到的液膜破碎长度及雾化角度与试验较为吻合，误差分别为11.7%和0.5%，验证了GPU加速MPS方法在双股射流撞击雾化问题中处理能力。参数化分析了射流速度和撞击角度对液膜破碎长度、雾化角度及一次雾化液滴索尔直径的影响。结果表明撞击角度增加或者射流速度增加均会导致液膜破碎长度减小、雾化角度增加、一次雾化液滴索尔直径减小。     

幂律型流体雾化SPH方法数值分析

幂律型流体的雾化过程存在复杂的界面运动,用传统网格法很难精确追踪运动界面.为研究幂律型流体的雾化特性,运用SPH方法对典型的双股幂律型流体撞击雾化问题进行三维数值分析.根据文献实验,采用SPH方法模拟获得与实验条件相应的数值结果,对比后表明,二者雾化角相当吻合,数值结果还成功捕捉到液膜向液丝的破碎过程及网状的液丝分布状态,验证了方法的有效性.分析了射流速度和撞击角度对雾化角的影响,得到雾化角随着射流速度和撞击角度的增加而增大;对雾化后的速度场进行数值分析后表明,撞击点附近,惯性力的作用使速度场变化剧烈;在流体远离撞击点的过程中,粘性耗散作用使速度场趋于稳定,但速度大小小于初始撞击速度.     

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。     

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。     

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。      

Coupled Lagrangian impingement spray model for doublet impinging injectors under liquid rocket engine operating conditions

To predict the effect of the liquid rocket engine combustion chamber conditions on the impingement spray, the conventional uncoupled spray model for impinging injectors is extended by considering the coupling of the jet impingement process and the ambient gas field. The new coupled model consists of the plain-orifice sub-model, the jet-jet impingement sub-model and the droplet collision sub-model. The parameters of the child droplet are determined with the jet-jet impingement sub-model using correlations about the liquid jet parameters and the chamber conditions.The overall model is benchmarked under various impingement angles, jet momentum and offcenter ratios. Agreement with the published experimental data validates the ability of the model to predict the key spray characteristics, such as the mass flux and mixture ratio distributions in quiescent air. Besides, impinging sprays under changing ambient pressure and non-uniform gas flow are investigated to explore the effect of liquid rocket engine chamber conditions. First, a transient impingement spray during engine start-up phase is simulated with prescribed pressure profile. The minimum average droplet diameter is achieved when the orifices work in cavitation state, and is about 30% smaller than the steady single phase state. Second, the effect of non-uniform gas flow produces off-center impingement and the rotated spray fan by 38°. The proposed model suggests more reasonable impingement spray characteristics than the uncoupled one and can be used as the first step in the complex simulation of coupling impingement spray and combustion in liquid rocket engines.     

倾斜射流撞壁形成的液膜外形的理论建模

倾斜射流撞击壁面在燃烧室液膜冷却、溅板式喷注器雾化等领域均有广泛应用。为了研究倾斜射流撞壁形成的液膜的基本形态、液膜边界大小,开展理论建模研究。通过建立在液膜边界的守恒方程及液膜在壁面上的厚度及速度分布关联式,形成一套能够求解倾斜射流撞击壁面后液膜形态及边界的理论方法。模型计算结果与文献中的实验结果对比表明,建立的模型能够较为准确地反映出壁面上液膜的基本外形。理论模型计算表明：液膜铺展面积随着射流速度和射流直径的增大而增大;当射流与壁面的夹角增大时,液膜流量分布的改变会导致液膜长度减小,宽度增大;模型计算结果能够反映出液膜边界随接触角增大而变小这一定性规律。     

阵列射流冲击冷却局部对流换热特性的数值计算与实验研究

运用数值计算的方法对具有初始横流的阵列射流在不同的排列方式、不同的冲击间距和不同的横流/射流质量流量比下的流动换热进行了三维数值研究,并采用热色液晶测试技术对阵列射流冲击的冷却表面温度分布进行了试验研究,获得了每一股射流的冲击冷却局部对流换热系数分布的特征。研究结果表明本文的计算结果与实验特征是基本吻合的。     

微阵列射流冲击肋化表面传热特性

以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律.实验结果表明:①浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热.②浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数.③对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低.      

密集型阵列冲击射流换热特性实验

设计了多种不同几何参数的阵列射流冲击孔实验件,利用红外热像仪对其冲击冷却进行了热像显示实验,获得了冲击射流雷诺数和几何参数对局部对流换热特性的影响规律.结果表明:①对流换热系数随着射流雷诺数R_ej的增加而逐渐增大;②随着孔间距的或者冲击间距的增大,冲击冷却的对流换热效果逐渐减弱;③当孔间距与孔径之比在3～5时,顺排阵列射流的强化换热效果优于叉排,而当孔间距与孔径之比为2时,在阵列射流上游叉排排布的强化换热效果优于顺排,而在下游则顺排排布的强化换热效果占优.      

Experimental study of single-row chevron-jet impingement heat transfer on concave surfaces with different curvatures

To address the curvature effect on single-row chevron-nozzle jet impingement heat transfer on concave surface, a series of experiments are conducted in the present investigation.Four concave surfaces including one semi-cylindrical concave surface and three parabolic concave surfaces with different width-to-depth ratios are tested under three typical Reynolds numbers(Re = 5000,10000 and 15000) and several dimensionless nozzle-to-surface distances ranging from 1 to 8.The results show that the concave curvature has a clear impact on chevron-nozzle jet impingement heat transfer, tightly dependent on jet Reynolds number and impinging distance.In general, the semicylindrical concave surface produces the highest longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line of concave surface.Under a low jet Reynolds number, the parabolic concave surface with a highly curved curvature produces higher longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line and more uniform longitudinally-averaged Nusselt number distribution along the curvilinear direction.However, the longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line of concave surface is the lowest for the highly curved surface under a high jet Reynolds number and large impinging distance.In comparison with the round-nozzle, chevron nozzle plays a more significant role on improving jet impingement heat transfer at small impinging distances.     

冲击凹柱面靶板的流场结构实验

采用烟线法研究了冲击凹柱面靶板的流场结构。研究中改变冲击雷诺数Re,冲击距-冲击孔直径比H/d以及冲击靶面相对曲率d/D等参数,利用数码摄像机拍摄流场结构随这些参数的变化规律。研究结果表明:上述参数均影响了冲击凹柱面靶板的流场结构,而且影响规律表现出较强的关联性。实验中,随冲击雷诺数Re的增加或冲击距-冲击孔直径比H/d的减小,在冲击滞止区域两侧形成的稳定旋流结构与冲击靶板分离处的圆心角增大,分离推迟;同时在实验中发现冲击靶板的曲率半径和冲击导管直径之间存在一定的匹配关系(d/D)使流体沿壁面运动的距离最长。     

动量比对两股互击式喷嘴雾化特征的影响

基于CLSVOF（coupled level-set and volume of fluid）方法对两股互击式喷嘴雾化过程进行了数值模拟,仿真结果与实验结果进行对比,并详细考察了动量比对液膜特性的影响.结果表明:①CLSVOF方法能对射流撞击形成的液膜形态进行有效捕捉,计算获得的液膜形态与实验结果一致.②两股不同孔径的射流在撞击点撞击过程中,由于大孔径一侧的部分射流未参与撞击,而中心位置的液体在撞击之后速度迅速下降,周围的液体则保持撞击前的速度,使得射流撞击之后形成弧形状液膜.③在不同动量比条件下,射流撞击后轴线位置的合成角主要取决于参与撞击射流的动量比,数值计算结果与理论计算结果吻合较好,误差均小于10%.      

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

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。