直流互击式喷注单元雾化特性准直接数值模拟

为实现直流互击式喷注单元雾化过程的数值求解并探究结构及工作参数对雾化特性的影响规律,基于一种树形自适应加密算法与流体容积(Volume-of-Fluid,VOF)方法实现了雾化过程的准直接数值模拟。计算得到了两股射流由喷射到撞击形成液膜,液膜进一步破碎形成液丝、液滴的全过程,获得了液膜的破碎长度、液滴的Sauter平均直径、雾化频率等雾化特性参数。通过将典型算例的计算结果与试验数据进行对比验证了计算的有效性,给出了数值求解精度。探讨了撞击波的形成机理,分析了雾场液滴的尺寸分布规律,撞击夹角、孔径比、射流速度、动量比对雾化特性的影响规律。结果表明:所采用的算法可以实现多相、多尺度雾化过程的数值求解;撞击波的形成是由于两股射流撞击时惯性力的不完全对称导致的;雾场液滴的尺寸分布近似服从Rosin-Rammler分布;撞击夹角的增大与射流速度的提高导致液膜的破碎长度减小,液滴的平均粒径减小,撞击夹角增大雾化频率呈减小的趋势,射流速度提高雾化频率呈增大的趋势;动量比为1而孔径比不为1时会形成凹形液膜,雾场存在一定程度的偏斜;动量比主要影响雾场的偏斜程度。     

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。     

液体射流撞击液膜振荡行为的实验研究

液体射流撞击过程是液体火箭发动机常见的高效雾化方式。为了进一步探究液体射流撞击雾化过程,采用高速摄像仪和图像处理技术对两股液体射流撞击液膜的振荡行为进行了实验研究,考察了射流韦伯数(21≤We≤1356)和撞击角(2θ=60°,90°,120°)对液膜振荡的影响。结果表明,随着射流韦伯数增大(We250),撞击液膜会从竖直稳定模式转变为振荡模式,促进液膜破裂和雾化。增大撞击角能加剧液膜振荡和增加雾化角。2θ=60°和90°的液膜振荡区间为250We400,2θ=120°的液膜振荡区间为We250,无量纲振幅的时均极大值约为5。结果揭示了随着液体射流速度的增大,射流不稳定性的发展会引起撞击点的动量不平衡,进而形成液膜振荡。此外,液膜向下传播时与空气界面间的Kelvin-Helmholtz不稳定性也促进液膜振荡。     

壁面边界对撞击合成动量角的影响研究

为了研究动量比对针栓式喷注器撞击雾化合成动量角的影响规律,基于三相的与水平集耦合流体容积法(CLSVOF)对贴壁液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了数值模拟,并与自由液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了对比,结合试验结果及理论预估结果详细考察了有无壁面条件下合成动量角与动量比的关系,深入分析了造成两者之间差异的根源,揭示了壁面边界对合成动量角产生影响的作用机制。结果表明:CLSVOF方法计算的合成动量角与试验结果一致,最大相对误差约为10%,大多数工况点的相对误差小于5%;有壁面边界的贴壁液膜/自由液膜撞击合成动量角显著大于无壁面边界的自由液膜/自由液膜撞击的;仅一路流体贴壁的撞击合成动量角与常用的入口动量比理论预测值最大相差20°以上,而两路均无贴壁或者均贴壁的撞击合成动量角与理论预测值吻合很好。这一显著差异的根源在于两者撞击形成的高压区分布显著不同。壁面的存在使得撞击点附近形成的高压区对两路流体作用不对称,有壁面边界时壁面承受高压迫使其对贴壁流体有强的作用力,导致垂直于壁面方向动量不守恒,根据入口动量比预测的理论不再适用。     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

倾斜射流撞壁实验研究及液膜几何参数建模

倾斜射流撞壁在液体火箭发动机液膜冷却、射流撞壁雾化等领域具有广泛的应用。为了研究倾斜射流撞击壁面后形成的液膜的关键特征，开展单股圆柱射流撞击壁面的实验研究。从实验中研究各射流参数对液膜外形的影响规律，继而开展理论建模，获取液膜外形的关键几何参数表达式。实验研究发现随着射流倾角增大，液膜长度减小而宽度增大，随着射流孔径和射流速度增大液膜长度和宽度均增大这一定性规律。理论分析得到了液膜最大宽度位置与液膜对称面的夹角近似等于射流倾角α，液膜的长宽比近似等于1+cot α。通过进一步分析得到液膜宽度、最大宽度距撞击点的距离、液膜长度这几个液膜关键参数的表达式。建立的液膜几何参数表达式预测结果与实验结果的误差均在20%以内。     

两股湍流射流撞击雾化过程的数值研究

采用新提出的雾化过程仿真算法,对两股湍流射流撞击雾化过程进行了数值研究,重点关注了撞击角和动量比的影响。为精细地模拟湍流对雾化的影响,采用了大涡模拟。对雾场瞬态和统计结果的分析表明,喷雾角随着两股射流撞击角的减小而减小,但液膜的破碎长度反而增加;动量比主要影响雾场的偏斜程度,动量比由1.0增大到2.25时,喷雾偏斜角由0°增大到约23°。仿真结果与试验结果吻合较好,表明新算法能够较好地反映两股湍流射流的雾化过程。     

两股互击式喷嘴雾化性能实验研究

用激光全息及图像处理技术,研究了双股互击式喷嘴的雾化性能。实验发现,喷嘴的撞击夹角增大、孔径比减小、两射流的动量比减小均会使喷雾的破碎长度和液滴直径减小。在初始雾化区域,液膜和液丝的速度与射流的速度基本相同,液滴的运动速度略小于射流速度。通过实验数据的分析整理,获得了喷雾的索特尔平均直径的经济公式。     

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。     

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。     

针栓式喷注单元雾化角模型分析

为了实现不同径向孔形的针栓式喷注器雾化角的准确预测，从动量守恒方程出发建立了液膜撞击液膜和液膜撞击液束的雾化角理论修正模型。对于液膜撞击液膜的喷注单元，模型中通过理论推导引入了2个变形因子，将撞击的几何变形效应与雾化角关联；对于液膜撞击液束，通过引入阻塞率定义有效撞击动量比，同时将液束入口孔形的影响隐含考虑在变形因子中，最后根据高速摄影试验结果和数值仿真结果获得了对应的变形因子组合系数，使得新的雾化角模型适应性更广、准确性更高。结果表明：引入变形因子和阻塞率的理论模型预测值与试验及数值仿真结果吻合很好；对于液膜撞击液膜，变形因子基本维持在0.9~1.1，根据试验结果及仿真结果，变形因子推荐值为C₁=0.99和C₂=1.06；对于液膜撞击液束，变形因子推荐值为C₁=0.75和C₂=1.25。该模型根据实际出口的轴向动量和合成总动量计算雾化角，隐含考虑了撞击作用造成的影响，较根据撞击前入口的轴向动量和合成总动量计算雾化角的常用模型预测值准确度显著提高，为针栓式喷注器的理论研究和工程设计提供了重要参考。     

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。     

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。     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

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。     

针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程数值模拟

为了全面认识针栓式喷注器喷雾场结构，基于自适应网格加密技术和分三相计算的PLIC VOF（Piecewise Linear Interface Calculation Volume of Fluid）方法对针栓式喷注单元膜束撞击雾化混合过程进行了仿真分析，通过对两路推进剂分别进行界面追踪，获得了膜束撞击雾化混合过程的详细结构特征，与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好，验证了数值方法的准确性。以此为基础对膜束撞击的喷雾场结构、撞击变形过程、流场涡结构、雾化破碎典型特征及破碎后的雾化混合分布特征进行了识别分析，结果表明：膜束撞击形成了液束未穿透液膜和液束穿透液膜2种不同的喷雾扇结构。膜束撞击形成的喷雾扇呈"Ω"形，膜束同时发生弯曲变形和横截面变形。另外，膜束撞击同时受到正压和剪切应力作用，导致了一系列复杂涡流现象，使得相互作用增强，雾化混合均增强，这也是膜束撞击喷注构型优于膜膜撞击的本质原因。最后，还发现膜束撞击喷雾场液滴分布呈现分区结构特征，分别是液束控制主导的上雾化区、液膜控制主导的下雾化区及夹在中间的混合区，实际中应兼顾雾化特性和混合特性，选取中等动量比膜束撞击，这可为针栓式喷注器的理论研究和工程设计提供重要参考。     

针栓式喷注器液膜下漏率预估模型

为了对针栓式喷注器液膜下漏率进行准确预测,基于针栓式喷注单元喷雾场结构分析,结合理论推导、数值仿真及试验研究3种方法建立了液膜液束各自变形的相对变形量模型;在考虑液膜液束变形的基础上,引入相互影响系数表征多喷注单元间相互影响,建立了实际阻塞率和实际下漏率模型。通过数值仿真及试验结果的多参数充分验证,结果表明:理论预估模型与数值仿真及试验结果一致性较好。液膜液束相互作用下,液膜绕液束流动和液束根部横截面前后缘位置移动不同步导致的展向变宽分别是液膜和液束发生变形的主因,且有效动量比越大,液膜相对变形越大,液束相对变形越小。对于一定阻塞率的几何结构,结果表明:下漏率随着有效动量比的增大而增大,增大趋势呈先快后缓,且实际下漏率均小于几何下漏率,这是由膜束变形导致的实际阻塞率比几何阻塞率更大造成的。另外,发现液膜下漏率仅与表征流场结构(有效动量比)及几何结构的无量纲参数(液膜厚度与液束直径之比和阻塞率)有关,与喷射速度的绝对值无关,并给出了模型中的常系数供工程设计预估使用,对从设计初期就考虑针栓头的热防护问题具有重要的指导意义。