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。     

煤油液滴在富氧燃气中不稳定燃烧的数值研究

采用数值分析的方法,对富氧燃气中的煤油液滴的不稳定燃烧过程进行了研究。采用一维轴对称N S方程,考虑了高压实际气体物性和液滴/气团表面气液平衡。计算中空间和时间尺度分别为μm和μs的量级。结果表明,液滴在接近超临界点时,物性的快速变化会引起一定频率的自发振荡;超临界气团对不同压力振荡频率的响应不同;煤油蒸汽的消耗速率对压力振荡的响应不同于蒸发速率的响应,热量释放对压力振荡也具有明显的响应。     

环境压力对双组分运动液滴蒸发特征影响的理论研究

为获得亚临界条件下,环境压力对双组分运动液滴蒸发特性的影响规律,基于多组分液滴蒸发模型,对癸烷—乙醇二元混合液滴在高温氮气环境下的运动蒸发过程开展模型研究。通过模型计算,获得了液滴内部浓度分布、温度分布和液滴速度随时间的变化;分析了在环境压力0.1MPa和2MPa下,不同浓度液滴温度、尺寸及表面乙醇浓度的变化特征。结果表明:双组分液滴运动蒸发过程中,内部存在显著浓度和温度梯度,传热扩散快于传质扩散。常压环境下,液滴温度经历瞬态加热和平衡蒸发两个阶段,而高压环境下,液滴温度逐渐升高至接近环境温度。双组分液滴蒸发过程中由于组分浓度随时间变化,其无量纲尺寸随时间变化明显偏离"d 2理论";环境压力越高,液滴运动的贯穿距离越短,蒸发速率越慢。乙醇浓度对液滴蒸发速率的影响有两方面:蒸发前期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率越快;而蒸发后期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率反而越慢。     

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。     

考虑自然对流的厚交换层液滴蒸发模型及其检验

两相模型对航空发动机燃烧室数值模拟的准确性至关重要,液体燃料的蒸发特性是两相模型的一个关键因素,为了得到准确合理的两相模型从而为燃烧室的设计提供依据,采用悬滴法实验研究了甲醇、煤油及航空煤油液滴在静止环境下的高温蒸发现象,并得到了液滴蒸发速率随环境温度的变化规律。比较实验数据与已有液滴蒸发模型计算结果,发现二者具有较大差距,分析认为已有模型应该考虑静止环境中自然对流对液滴蒸发的影响。在前人工作基础上,用考虑自然对流浮升力因素的厚交换层理论对静止环境下液滴的高温蒸发进行理论推导,得到新的蒸发模型。采用本文实验结果及文献液滴蒸发实验数据对新模型进行了检验。对于甲醇和煤油,在本文的实验工况下,新模型计算结果与实验结果具有较好的一致性,与实验的相对偏差不超过20%;对于煤油,新模型计算结果与文献实验结果的相对偏差不超过10%。     

高压不稳定环境中的燃料液滴蒸发

对燃料液滴在高压不稳定环境中的蒸发进行了研究，着重讨论了气相介质压力振荡对液滴蒸发特性的影响，计算了Ｃ１２Ｈ２６液滴在Ｎ２介质中蒸发时的蒸发速率、滴温和无因次滴径随时间的变化。结果表明：（１）蒸发速率、滴温发生相同频率的振荡，相位滞后分别为π和π／２；（２）压力振荡使蒸发速率平均值增大，液滴生存时间减少；（３）在不定常加热阶段压力振荡影响很小。     

低频压力振荡环境下静止液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得燃料液滴对压力变化得到响应特性,从微观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析。结果表明压力振荡会导致流场内部力的不平衡,从而会使液滴周围边界层内气体产生周期性流动,以及液滴周围边界层内蒸气质量分数的振荡,最终会使液滴蒸发速率的产生与压力振荡周期相同的振荡。在此基础上,根据流动边界层理论,提出了饱和蒸气边界层的概念,建立了压力振荡环境下静止液滴蒸发的准稳态模型并进行了数值求解,获得了静止液滴蒸发速率对压力振荡的响应特性。     

低频压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得运动液滴蒸发过程对压力震荡的响应特性,从宏观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析,压力振荡会引起液滴周围边界层内蒸汽质量分数的振荡,从而引起液滴蒸发速率的振荡。根据折算薄膜理论,提出了折算饱和蒸汽边界层的概念,基于已有的液滴蒸发准稳态模型,建立了压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型,并进行数值求解,结果表明,液滴蒸发过程对低频压力震荡具有很强的响应能力,尤其对压力震荡幅值、频率比较敏感。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应的试验研究

设计制造了一种旋转式气流换向阀,使用该换向阀能够产生较高频率、较大振幅的压力振荡,在此基础上建立了压力振荡环境下燃料液滴蒸发过程的试验系统,利用高速阴影成像系统对乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应特性进行了试验研究,试验结果表明,乙醇液滴蒸发过程对压力振荡具有快速响应的能力,压力振荡过程中,蒸发速率并不与环境压力的值成正比,蒸发速率的最大值发生在压力下降过程的后期阶段,蒸发速率的大小与压力振荡的频率、振幅有关。     

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％.     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

空气辅助喷射闪急沸腾喷雾特性试验

在定容弹内利用高速相机和相位多普勒粒子分析仪（PDPA）研究了环境压力和燃油温度对空气辅助喷射系统喷雾特性的影响。试验环境压力的变化范围为0.01MPa到0.1MPa,燃油温度的变化范围为25℃到100℃。试验结果表明:随着环境压力的减小,燃油喷雾逐渐从冷态过渡到闪急沸腾状态,在喷嘴出口处喷雾气泡急剧增加。当环境压力小于0.02MPa时,喷雾处于闪急沸腾状态,液滴速度增加,粒径减小,在喷雾近端出现喷雾膨胀现象；随着燃油温度的上升,液滴表面张力减小,液滴易于破碎。当燃油温度达到100℃时,喷雾处于闪急沸腾状态,喷雾远端出现喷雾膨胀现象。      

乳化油的蒸发和燃烧研究

本文从理论和实验两方面研究航空煤油和0~#柴油乳化液的蒸发和燃烧特性。结果表明,乳化油燃烧时出现的微爆现象能明显缩短油珠的生存期,对提高燃烧效率和强化燃烧十分有利;乳化油的燃烧,也为抑制氮氧化物和微碳粒的生成提供了有利的条件。文中也详细讨论了主要工作参数对微爆过程的影响,对乳化油的工程应用有参考价值。     

超声速模型燃烧室中气化煤油喷注研究

利用直接照相和纹影显示研究了不同预热温度的煤油喷注到静态大气和马赫数2．5的横向气流时射流结构。煤油加热系统可将0．8kg煤油加热到670K和5．5MPa压力。比较4MPa压力下290K～550K不同温度的煤油射流结构可以发现，550K煤油射流一旦流出立即完全气化，并且保持贯穿深度基本不变。结果表明：喷注汽化燃料有可能改善液体碳氢燃料超声速燃烧室的性能，因为至少省却了雾化和气化过程。     

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。     

基于OpenFOAM的真实流体模型库及均相求解器开发

为了正确认识高压环境下的流体非理想性特征,及其对于低温射流喷雾过程的影响作用,将多种不同真实流体模型写入到开源CFD程序OpenFOAM仿真平台中,编译形成具有广泛通用性的真实流体热物理模型库;并将高压下真实流体特征的影响引入到压力修正算法中;开发出适用于描述超临界环境下低温流体流动过程的均相求解器。对高压下流体热物理性质的非理想性,以及超临界环境下的低温液氮射流喷注过程进行研究。结果表明:高压下的真实流体效应主要体现在低温区域,本文所建立的模型库可以在任意热力学状态范围内正确预测流体热物性;基于此模型库所开发的均相求解器可正确预测超临界环境下低温射流的详细流动特征和结构,而理想气体模型则会大幅低估射流核心区密度分布,中心线上误差高达68.9%;综合考虑计算精度和效率,PR EoS及相关模型更适合于这类超临界流动问题的求解;低温射流跨临界喷注中局部区域所发生的虚假沸腾现象会导致射流温升速率降低、体积膨胀速率加快;射流核心区压缩因子明显1,在数值仿真时必须考虑高压环境下的真实流体效应。     

超临界压力下航空煤油传热特性

为了弄清航空煤油在超临界压力下的传热情况,进行了超临界压力下航空煤油传热实验研究。由实验结果绘出了超临界压力下煤油传热曲线图。实验结果表明:煤油在超临界压力下传热情况从低温到高温依次历经四个过程:(1)正常传热段,这一段内实验管内壁温和煤油温度都低于临界温度;(2)传热强化段,这一段内管内壁温度达到拟临界温度,发生拟沸腾强化传热;(3)传热恶化段,这一段内煤油温度处于临界温度附近比热和导热系数都迅速达到极大值之后的缓慢减小区段;(4)第二次传热强化段,这一段是经过传热恶化后,随着温度的进一步升高,比热和导热系数又缓慢升高,出现第二次传热强化。