含硼酒精单液滴燃烧特性试验

利用高速相机,采用实心针头、K型热电偶悬挂方式,开展了无水乙醇及酒精(无水乙醇与水体积比6:1)单液滴燃烧特性试验。在此基础上,通过向无水乙醇与酒精中添加纳米硼颗粒,进行了含硼无水乙醇和含硼酒精的单液滴燃烧特性试验。观察记录了液滴燃烧过程中出现的现象,测量了液滴燃烧过程中液滴内的温度变化。通过对比发现,由于水与无水乙醇之间的沸点差异使得酒精燃烧过程中会出现相分离现象,导致液滴出现微爆。通过改变液滴初始粒径,发现只有当液滴的初始粒径至少足够维持液滴燃烧2.5s,才会有微爆发生。     

煤油凝胶单液滴燃烧特性试验

利用二氧化碳激光器点火装置及高分辨率高速成像系统,开展了煤油凝胶单液滴在空气中的点火燃烧试验,观察了凝胶液滴在燃烧过程中的形态变化,为进行凝胶冲压发动机的总体设计提供依据。试验结果表明,煤油凝胶液滴的燃烧经历了煤油的蒸发燃烧、气泡产生、胶凝层形成、胶凝层破裂、微爆等物理化学过程,基本满足D²定律。分析了胶凝剂含量、硼含量对含硼煤油凝胶燃烧过程的影响。当硼含量一定时,随着胶凝剂含量的增加,含硼凝胶的稳定燃烧相对时间增加,但微爆过程更加剧烈;当胶凝剂含量一定时,随着硼含量的增加,含硼凝胶液滴的稳定燃烧相对时间缩短,微爆现象更加剧烈。     

单元推进剂液滴组着火过程的实验研究

利用挂滴装置和高速摄影系统研究HAN基液体推进剂LP－1846液滴组的着火过程,观察了液滴间相互作用对着火过程的影响,定量测试液滴组平均着火延迟期、着火温度与环境温度和液滴中心间距的关系,并对实验现象进行了讨论。研究结果对抑制液体发射药火炮压力振荡和控制燃烧稳定性有一定的指导意义。     

燃烧油滴内部蒸发的气泡周期性暴涨/碎裂

利用高速显微摄像技术捕捉到航空煤油RP-3挂滴的燃烧现象——微气泡周期性暴涨/破碎现象。环境温度为973K时,在直径为1.25mm的燃烧油滴内,捕捉到了微气泡的急剧暴涨和瞬间碎裂现象。即:①在0.04s内,微气泡直径增长41.6%;②在0.01s内,暴涨的气泡在油滴内破碎,激发油滴急剧振荡;③油滴恢复相对稳定的蒸发燃烧,内部残留的微气泡,启动第2轮暴涨/破碎;④经过3轮暴涨/破碎,油滴燃烧殆尽。因而得出:被高温加热的石英丝挂钩在油滴内部诱发的快速蒸发效应,是微气泡周期性暴涨/碎裂的驱动力，而表面张力则是油滴恢复并保持稳定燃烧的约束机制。      

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。     

挂滴燃烧过程中微气泡的成核

利用高速显微摄像技术观测了航空煤油RP-3的微尺度挂滴燃烧过程,分析了油滴内微气泡成核的基本机理和表现形式.在凸曲率诱发的低压成核机理下,确证了3种具体成核形式:①挂丝/油滴界面成核.挂丝温度高于油滴温度,在交界面上由于温差诱导了蒸发效应形成微气泡成核.②颗粒/油滴界面成核.微油滴内的微米量级的丝状或球状杂质颗粒及胶质颗粒形成的凸曲率侧诱导低压,成为气泡的萌生的成核点.③油滴表面凹坑成核.重组分形成筏结构与油滴表面侧的线张力和表面张力同时作用,引起油滴表面内凹,凹坑的凸曲率侧气泡成核点.这些进展为深入研究微尺度燃烧奠定了基础.      

蒸汽流量对蒸汽直接接触冷凝的影响

为研究蒸汽流量对蒸汽直接接触凝结及汽泡表面变化过程的影响,利用高速摄像仪记录一定过冷度、不同蒸汽流量条件时过冷水中蒸汽的凝结过程.实验结果表明:蒸汽流量小于0.36m3/h时,汽泡表面始终较光滑;当蒸汽流量升至0.74m3/h时,汽泡表面上出现波动,汽泡最终逐渐分裂成数个小汽泡;当蒸汽流量大于1.13m3/h时,汽泡表面上的波动非常剧烈,汽泡不稳定性增强,并最终破碎成大量微汽泡.且随蒸汽流量增,这些微汽泡的直径减少,喷射速度增加.蒸汽流量超过1.13m3/h后,汽泡在凝结时,其相对半径迅速减小,半径变化率迅速增加.汽泡表面剧烈的波动会极大的增加汽泡有效换热面积,导致蒸汽与过冷水间的传热和传质过程被极具的加强.      

镁基水冲压发动机燃烧室长度及进水距离设计方法

针对两次进水的镁基水冲压发动机,对发动机总体的燃烧室长度和一次、二次进水距离设计方法进行了研究.根据理论分析和试验测温结果,提出金属镁以熔融液滴形式进入燃烧室,镁滴燃烧为蒸气相扩散燃烧过程.采用简化的D3/2定律计算镁滴燃烧时间,并以镁滴燃烧和雾化水滴蒸发所需时间为依据,建立了燃烧室长度和一次、二次进水距离设计方法.参...     

选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟

选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型，展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源，借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程，克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题，获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示，金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为，高温熔体流速为1～6 m/s,熔滴飞溅速度为1～4 m/s。随着工艺参数的调整，飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析，追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解，通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息，进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。     

正庚烷液滴在微细直管中的燃烧特性实验

为了解微细直管对液滴形成和燃烧稳定性的影响,采用正庚烷作为燃料在内径为4mm的石英直管中的进行了实验研究.其结果显示:首先在不加热时,容易形成液滴,正庚烷体积流量小于40μL/min 时,火焰稳定性受液滴滴落的影响较大,液滴的蒸发主要受到空气体积流量影响下的火焰位置的影响;大于40μL/min时,液膜形成,火焰受液滴滴落影响不大.其次,管壁加热温度为180℃时,正庚烷体积流量低于60μL/min时难以形成液滴,大于60μL/min时液滴滴落后不形成液膜,液滴的蒸发受空气流速的影响较大,在液滴滴落以及空气流速的影响下,微燃烧器温度的变化对燃料的蒸发产生更大的影响,富燃较贫燃更易形成连续的火焰.空气流速大小对管壁温度影响明显,空气流速越小,管壁温度越高,液滴蒸发速率越大.      

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。      

三维复杂表面水滴撞击特性计算

为预测多段翼和发动机进气道等三维复杂形状表面在结冰气象条件下的水滴撞击特性,提出了一种基于欧拉两相流模型求解水滴收集系数的方法.空气相和水滴相认为是单相耦合的,空气流场由Euler或Navier-Stokes(N-S)方程独立求得.给出了一种水滴相撞击壁面边界条件的处理方法.为避免因局部水滴容积分数异常而导致计算发散,提出了一种自适应的数值扩散模型以增加高阶计算的稳定性.验证计算了圆柱、MS(1)-0317翼型、球面等典型二三维物面的收集系数,并计算了水滴直径呈某种分布时的情形.与公开发表的试验数据对比表明,计算方法准确有效,能很好的应用于三维复杂表面的水滴撞击特性预测.      

大型商用运输机机翼增升构型水滴撞击特性计算

基于欧拉-拉格朗日数值模拟框架,发展了一套适合求解三维多体模型水滴撞击特性的计算方法。采用粒子统计与面积比率计算相结合的方式,实现了水滴收集率的高效精确预测。在常规粒径条件下,该方法计算结果与国外标模试验数据吻合良好。应用上述算法,开展了某大型商用运输机增升构型的水滴撞击特性数值模拟研究,计算结果显示:水滴在缝翼背面缝道处出现聚集和轨迹交汇现象,聚集的水滴撞击在缝翼背面后缘,致使当地的水滴收集率出现了严重的激增,这一现象对飞机防冰系统设计提出了新的要求;另外,三维效应对增升构型的撞击特性影响显著,其中主翼下翼面水滴收集率沿展向分布存在较大差异。     

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％.