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。     

预剪切对凝胶汽油雾化特性影响的实验研究

为研究预剪切对凝胶汽油雾化特性的影响,在已有的双股撞击式喷嘴雾化系统上设计并加装预剪切管。采用Malvern粒度仪和粒子图像速度仪(PIV)分别测量了凝胶汽油雾化场液滴的粒径和速度分布。结果表明,预剪切管对凝胶汽油的撞击式喷嘴雾化具有重要影响:一方面,预剪切管减小了凝胶汽油的表观粘度,利于雾化过程中液滴的破碎和剥离;另一方面,预剪切管增大了流动阻力,导致凝胶汽油射流动能降低和雾化后的液滴速度降低,不利于雾化。合适的喉部长度与喉部直径能够有效降低雾化流场液滴索太尔平均直径。实验数据表明,加装喉部直径为3~4 mm,喉部长度为10~20 mm的预剪切管最有利于改善雾化效果。     

工质粘性对两股射流撞击雾化特性影响试验研究

为揭示工质粘性对两股射流撞击雾化特性的影响规律,在大气开放环境下开展了不同粘度系数工质的射流撞击雾化试验。由相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了撞击点下游10 mm,20 mm,30 mm与40 mm平面位置处液滴的粒径分布和速度分布等信息。试验结果表明:粘度系数增大,雾场某点处的液滴粒径有增大的趋势,运动速度有减小的趋势;雾场液滴粒径达到平衡状态时与撞击点的距离将会增加;撞击点下游某一平面的液滴平均运动速度将会减小;当粘度系数一定时,距离撞击点越远,该平面的液滴平均运动速度越小。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

孔径比和动量比对双股射流撞击式雾化影响分析

采用移动粒子半隐式(MPS)法和GPU并行加速技术,对双股射流撞击式雾化过程进行了数值模拟,分析了射流孔径比和动量比的变化对雾化特性参数的影响。模拟成功捕捉到了典型工况下一次雾化液膜破碎成液丝、液丝进一步破碎成液滴的全过程。获得了喷雾扩散角、液膜破碎长度、雾化液滴索特尔平均直径和雾场偏斜角等雾化特性参数。数值结果表明,孔径比的变化会引起雾场一定程度的偏斜,形成凹形液膜;动量比主要影响雾场的偏斜程度,动量比从1.0变化到2.0时,雾场偏斜角从0°增加到21°;孔径比和动量比的增大会引起喷雾扩散角的增大,但变化幅度较小;孔径比和动量比的增大都会使得液膜破碎长度和雾化液滴的索特尔平均直径增大。     

射流撞击雾化液滴运动过程与粒径分布特性的试验研究

在大气环境下,以水为介质,采用PDPA和高速动态分析系统,针对直流撞击式喷注单元的雾场结构进行试验研究,获得了雾化液滴速度分布、粒径分布等试验参数。从液滴运动及液滴大小分布的角度针对撞击雾化液膜破碎成液滴的过程进行了分析,发现水平面上雾化液滴的径向速度以原点为中心对称,且随离原点距离增大而增大;初始雾化阶段的粒径大小分布则与径向速度分布相反。分析认为是液膜运动过程赋予了雾化液滴的初始速度,并影响了初始雾化液滴的分布特性。     

流量脉动对针栓式喷嘴雾化特性影响的仿真分析

针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。使用连续相到离散相方法和基于树形数据结构的自适应算法研究了气液针栓式喷嘴的雾化破碎过程,重点关注了液体流量脉动的影响。通过施加周期性变化的质量流量入口边界来模拟上游流量脉动下的雾化过程,对比了有无流量脉动条件下的雾化特性,研究了脉动频率对针栓式喷嘴雾化特性的影响。结果表明：当液体流量不变时,在气体的撞击作用下,液膜上剥落出较长的液丝,长液丝二次破碎为小液丝和大量液滴,破碎距离较长,液膜破碎过程比较有序;当流量脉动幅值为0.15,脉动频率的范围为500～3 000 Hz时,液膜破碎距离会缩短,液膜会形成明显的环状表面波,破碎后在环形液丝周围出现液滴聚集现象,雾化锥角受脉动频率影响较小;脉动频率会显著降低液滴的粒径,当频率较高(3 000 Hz)时,可能会产生数目较少的极大液滴粒径;液体流量脉动会使得液滴分布出现局部聚集现象,喷雾形态出现明显的“鼓包”结构。     

富燃料膏体推进剂在燃烧喷头流动中的流-固-热耦合数值模拟

膏体冲压发动机燃烧喷头内存在流动、换热及热传导,是一个典型的流-固-热耦合问题。文中针对燃烧喷头耦合问题进行了数值模拟,得到了不同挤压压强、不同推进剂初温条件下,燃烧喷头的温度分布和喷头孔内的推进剂流动参数。计算结果表明,燃烧喷头温度的热传导对推进剂流量会产生较大影响,而燃烧喷头温度场分布与挤压压强、推进剂温度关系不大,同时燃烧喷头具有特定的稳定工作时间。     

液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性影响

为探究液气动量比对内混式直流气液喷嘴雾化特性的影响,采用基于Gerris的VOF方法和自适应加密算法,对不同液气动量比下的两液相孔内混式直流气液喷嘴雾化过程进行数值计算。结果表明:Gerris可以清晰地捕捉到射流柱从变形、弯曲到雾化为液滴的全过程细节特征,雾化过程图像与实验拍摄的基本吻合,获得液滴空间分布,计算得到的全场液滴SMD为50～60μm。当液气动量比较小时,内混式直流气液喷嘴的射流不发生相撞,雾化机制为气动破碎。随着液气动量比的增加,两股射流破碎长度和穿透深度均增大,射流发生相撞,雾化机制为气动破碎和撞击破碎。     

喷嘴入射方式对气体-液滴群掺混的影响

通过数值模拟的方法从冷态方面研究了金属/水反应冲压发动机二次掺混室内横流气体和通过压力旋流喷嘴雾化的液滴群的掺混情况.提出了掺混度、不均匀浓度因子和等浓度线这3种特征量作为评价指标,分析了不同喷嘴入射角度情况下,液滴群对横向交叉气流的影响以及气流对液滴群掺混的作用.结果表明,液滴群的加入使气流中产生了尺度不同的涡,促进了湍流;喷嘴附近的掺混初始阶段,大涡作用使液滴分布很不均匀,喷嘴下游,涡的尺度减小,对液滴的扩散影响减弱,但初始的喷雾形态和液滴趋向高应变和低涡量区域造成了壁面处液滴浓度仍然高于其他区域;喷嘴垂直无偏入射的掺混优于轴向或切向入射;轴向向上游偏转入射优于向下游偏转入射;切向偏转角度越大,越不利于掺混.     

固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析

设计了一种新的固体火箭发动机燃烧室状态粒子收集装置,可对不同工作压强和燃烧室滞留时间的凝相粒子进行收集。针对典型的HTPB推进剂,开展了不同压强条件下的实验研究,利用马尔文粒度分析仪和扫描电镜,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,典型含铝复合推进剂凝相燃烧产物的粒径主要分布在0.05~100μm之间,粒子粒度的体积分布峰值小于5μm。随着压强的增加,粒度分布峰值略有上升,粒径分布更为集中。     

固体火箭发动机燃烧室凝相颗粒燃烧特性分析

进行了燃烧室收敛段沿径向不同部位的颗粒收集实验,并利用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对凝相颗粒进行了分析。研究结果表明,在6.8~7.5 MPa下,含铝量17%的HTPB推进剂燃烧产物粒径分布范围在0.27~300μm之间;燃烧室收敛段中心区域凝相颗粒平均粒径比壁面附近区域的小;大多数凝相颗粒为表面光滑、外形规则的实心球体,在燃烧过程中粒径超过40μm的大颗粒易发生开裂破碎等外形变化;在本实验条件下,仍有单质铝存在,铝颗粒的燃烧效率随着压强的升高而增大。     

雾化锥角对喷雾在横流中蒸发掺混的影响

通过数值模拟方法研究了雾化锥角对蒸发的喷雾液滴群在横流气体中掺混特性的影响,寻求强化掺混和提高温降效果的雾化锥角。提出了评价掺混水平的方法,在与实验吻合的基础上,获得了40°、60°、80°、90°和100°雾化锥角下气相温度的概率分布函数规律、流场结构和两相掺混度曲线。结果表明,随雾化锥角增大,温降效果提高,而掺混度先增大,雾化锥角90°时达到最大值,继续增大雾化锥角,掺混度降低;小雾化锥角时产生对称多涡对结构,在一定区域内促进掺混,而较大雾化锥角时产生混乱的多尺度涡结构,有利于整个掺混截面的温度均匀分布;综合考虑掺混度和温降效果,90°～100°为优化喷雾雾化角。     

模拟过载条件下燃烧室凝相颗粒形态参数试验研究

通过地面模拟过载粒子收集试验装置,完成了推进剂在3种不同压强工况下的粒子收集试验,初步获得了粒度分布特性、微观形貌特性及成分分布等形态参数。研究结果表明,粒子中径分布明显高于非过载状态,5.6~11.5 MPa范围内,d(0.5)主要分布在120~190μm之间。同时,针对某飞行试验发动机残骸故障处残留凝相粒子进行了收集与分析,并与地面同种压强状态下粒子形态参数进行了对比,两者分布较为一致,均呈双峰分布,粒子d(0.5)约为100~130μm。     

AP含量及粒度级配对含硼富燃推进剂压强指数的影响

通过燃速测试、高压DSC和TG实验,研究了AP含量及粒度级配对含硼富燃推进剂压强指数的影响。压强指数采用r=apn方程求得。燃速测试结果表明,AP含量增加,AP重均直径减小,均使压强指数升高。DSC和TG分析表明,推进剂中AP含量增加,重均直径越小,推进剂失重速度较快,高压时推进剂放热量增加,燃速增加较大,因而压强指数较高。     

真空环境下液体射流雾化特性的实验研究

为研究真空环境下液体的雾化特性及其影响因素,建立了真空环境喷雾实验系统。用水模拟液体推进剂,真空环境舱的初始真空度小于10Pa,采用高速动态分析系统测量了喷雾场。结果表明,真空环境下液体射流的闪蒸是其破碎与雾化的主要因素之一;喷射速度较低时喷口发生结冰现象;随着喷射雷诺数的增大,破碎长度变长而雾化锥角减小;喷射速度相同时,喷嘴直径增大,破碎长度和雾化锥角随之增大。     

膏体推进剂模拟液直圆管流动特性

管道流动特性研究对膏体推进剂供给系统设计具有重要意义.根据非牛顿流体幂律模型,在无壁滑移条件下,分别建立了膏体推进剂模拟液直圆管流动的理论及数值计算模型,并通过丁羟管道流动试验验证了理论模型的准确性.研究得到了膏体推进剂模拟液在直圆管中流动的压降随管径及入口速度变化的情况,并分析了压降的影响因素和幂律指数对管内流速曲线的影响.结果表明,膏体推进剂模拟液在直圆管中压降随管径增大而减小,随入口速度增大而增大.     

喉部跨音速条件下二次流互击喷嘴的雾化特性

为了研究二次流互击喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响,在跨音速条件下进行了流体喉部的冷流试验。研究了发动机喷管出口处羽流雾滴的累积体积分布、索太尔平均直径SMD和液雾分布指数N。通过试验获得了不同压比和喷射方案条件下的羽流粒度数据。研究结果表明,随着压比的增加,SMD减小,雾化的均匀性提高;雾化效果最好的喷射方案为喉扩喷射,同时扼喉能力与推力效率随着流量比的增加而提高。     

凝胶推进剂模拟液直圆管流动特性初步研究

对某型凝胶推进剂模拟液在直圆管中的流动特性进行了理论分析和试验研究,得到模拟液在直圆管中的速度分布,定义了表观粘性和平均粘性,进行了流阻分析并定义了非牛顿流体雷诺数。通过试验考察了管长、管径对流阻的影响,得到流阻系数与雷诺数和无量纲速度比与雷诺数的关系,并对影响因素进行了分析。     

液液针栓多喷注单元喷雾场数值模拟

为了研究相邻喷注单元间相互影响对针栓式喷注器喷雾场的影响,以平面针栓多喷注单元为研究对象,采用基于AMR(adaptive mesh refinement)技术和分相识别的PLIC VOF(piecewise linear interface calculation VOF)新方法,实现了针栓式喷注器雾化过程的高保真数值模拟。给出了喷雾场典型的结构特征及液雾的分布特性,对比了多喷注单元与单喷注单元喷雾场的差异,揭示了相邻喷注单元间的相互影响机制。研究表明,新的仿真方法在精细研究针栓式喷注器喷雾场方面具有较好的准确性。与单喷注单元相比,多喷注单元喷雾场主要存在以下特殊结构：相邻两雾扇相撞背部呈脊状结构,使得雾化区域大于雾化角;两雾扇相撞在中间对称面汇聚形成薄液膜,使整个雾化角范围内均有液滴分布;相邻两孔之间形成一定下漏率和下漏液膜宽度;液膜路和液束路的液滴粒径均显著增大了约35%,流强和混合比沿径向分布更趋于均匀。相邻喷注单元间的相互影响机制为：相邻喷雾扇相撞后原先各自向外展开的雾扇被挤回中心对称面,其厚度是原雾扇的两倍,其他未发生撞击位置的液膜厚度保持不变,最终形成的喷雾扇结构呈扁平的...