基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa~0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。     

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。     

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。     

撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征

采用激光全息和图像处理技术,研究了撞击式喷嘴撞击角和射流速度对凝胶推进剂雾化性能的影响,撞击角范围为40°~90°,射流速度范围为15~55 m/s。研究了气/液撞击对凝胶推进剂雾化性能的影响,结果表明:增大撞击角和射流速度均有助于凝胶推进剂的雾化;减小射流直径有利于凝胶推进剂雾化;凝胶推进剂的极限表观粘度是影响其雾化的主要因素。分析了撞击式喷嘴凝胶推进剂喷雾场的特征,认为在本文研究的范围内,可以将凝胶推进剂喷雾场依次分为规则扇型的液丝区域、紊乱网状的液丝区域和液丝与液滴共存区。     

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。     

粘性气体中粘性液体射流分裂与雾化机理研究

采用线性稳定性分析的方法对粘性气体中的粘性液体射流的分裂与雾化机理进行了分析,数值计算表明:液体射流分裂与雾化过程中存在一临界气体韦伯数We2c=1,We2＜We2c对应的是射流分裂过程,We2＞We2c对应的是射流雾化过程,射流分裂过程和雾化过程的机理有所不同.当We2＜1时,We2对射流分裂过程具有稳定性的作用;当We2＞1时,We2对射流雾化过程起着不稳定性的作用.液体Reynolds数Re1在整个射流过程中始终起着不稳定性的作用,气体Reynolds数Re2的作用却相反.气液密度比Q,即气动力在整个射流分裂与雾化过程中始终起着不稳定性的作用.     

低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟

非牛顿射流的撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛用于燃料的喷注雾化,然而人们对其破碎物理机制却知之甚少。本文将采用基于液体体积法的直接数值模拟(DNS)工具,研究夹角为90°的2个等直径低韦伯数射流撞击现象,并分析二者形成的单一对角射流特征及其破碎机理。研究结果表明,撞击形成的单一对角射流直径较原射流直径大1.66倍,并在头部形成液滴诱导破碎的发生。除了头部破碎,在对角射流的发展过程中还观察到一类液柱破碎,表现为射流表面不稳定波不断发展形成新的弯曲波破碎,并产生卫星液滴及液滴的融合。伴随两股射流撞击的发生,气液两相交界面的面积也不断减小,同时,射流内部的黏性也不断变化,在本文的低雷诺数和低韦伯数条件下,流体内部黏性系数变化超过10%。     

幂律流体撞击射流破碎机理的实验

通过自行研制的撞击射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同卡波姆质量分数剪切变稀的卡波姆凝胶非牛顿幂律流体在不同射流条件下撞击液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度进行实验与分析.结果表明:不同流变特性的幂律流体出现的破碎模式不同,黏度越高,破碎模式越复杂;4种卡波姆凝胶在韦伯数为8000左右时,达到完全发展模式,并在韦伯数为8000左右时表现出相似的破碎特性;随着韦伯数的增大,喷雾锥角逐渐增大并趋于稳定,稳定值小于撞击角度,当卡波姆质量分数增大时,最大喷雾锥角逐渐减小,最终收敛于60°;随着韦伯数的增大,4种卡波姆凝胶的破碎长度先小幅变大然后减小,理论结果与实验结果整体趋势相似.      

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。     

剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎直接数值模拟

液态射流撞击是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其破碎特征直接影响燃料最终的掺混及燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,研究了低雷诺数（Re_l=41）和中等韦伯数（We_l=163）条件下剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎的问题,着重分析了对角液膜的三维结构、破碎特征和非牛顿特性等。研究结果表明：在所研究的射流参数下,该非牛顿撞击液膜破碎属于Open Rim类别,破碎过程具有三维特性并伴随液丝与边缘的融合、液丝向液滴的转变等时域流动特征。液体的总表面积随时间不断增长,但单位表面积随液膜破碎的发生而下降,液膜扩张半角随时间逐渐增加并趋于恒定值43°,而后部液膜的长度几乎不随时间发生变化。此外,撞击液膜表现出明显的剪切稀化特性,液体内部最低黏性系数仅为零剪切黏性系数的1/5。     

喷注器出口附近液膜运动及破碎过程的理论分析

研究锥形液膜在受限空间内的运动,该液膜由离心式喷嘴产生,并受到高速环形气流的冲击。根据空气动力学理论,建立了用于分析液膜运动规律的理论模型,提出了运动液膜的破碎准则和运动液膜破碎后形成的液滴平均直径的计算公式,计算结果可作为喷注器设计的参考依据。     

空天机复合循环推进技术新概念研究——液化空气循环在其中的应用

研究了空天机复合循环推进技术中的一个新概念——以液化空气循环为基础的SERJ组合发动机性能。计算了空气液化后分离为液氧和液氮后组合发动机在不同高度、不同飞行马赫数下的性能曲线,并考虑了液化空气量对组合发动机性能的影响。对计算结果的分析表明,液化空气循环虽然使组合发动机推力下降,但能使比冲有较大幅度的上升;液化空气量过大与过小均不利于进一步提高比冲性能,而是存在一个最佳值。     

液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型及计算机模拟

本文提出了一个通用的液氧/烃液体火箭发动机燃烧模型.模型采用多流管压力耦合方法,并考虑了推进剂液滴剥离、高压超临界燃烧和液膜冷却等对发动机燃烧过程的影响.利用本模型对液氧/丙烷发动机燃烧过程的计算模拟表明:本模型为液氧/烃发动机燃烧过程的模拟和性能预估提供了一个有效的理论工具.     

液氧烃类发动机循环系统比较

本文通过理论计算得出两种循环的液氧/烃类发动机参数和性能,计算了混合比、涡轮进口温度、泵效率等参数对发动机性能的影响。利用涡轮功率平衡方程推导出发生器循环的涡轮流量与总流量比和燃烧室压力的关系;分级燃烧循环的燃料泵出口压力与燃烧室压力的关系。最后分析了两种循环的适应范围。     

液氧／煤油燃气发生器的试验研究

介绍了液氧／煤油为工质的燃气发生器试验研究方法和结果，着重讨论了发生器在低混合比条件下点火，起动方案和性能参数。     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

高背压等离子点火器及其液体燃料点火特性实验研究

航天应用的液体火箭发动机及燃烧型加热器燃烧室室压高、燃料流量大、温度低、有重复启动需求，实现安全可靠点火的难度较大。针对这些需求，研究了一种采用高背压设计的电弧等离子体点火器。实验研究了Ar，N₂气体工质在高进气压力下的伏安特性，发现N₂在宽压力范围内适用于点火。发射光谱分析表明，在高达数MPa的进气压力下，Ar，N₂等离子体射流电子密度符合局部热力学平衡判据（LTE判据），点火能量集中。N₂等离子体整体温度低于Ar，但阳极喷口附近温度高于Ar，N₂等离子体射流火焰长，卷吸沿程空气造成射流平均温度偏低，但有助于低温液体推进剂的蒸发混合和强化点火。等离子体射流引起了臭氧和氮氧化物的形成，具有促进点火和化学反应的作用。背压提高引起电源输出电压升高，提高供气压力和电流，有助于点火器在高背压环境中稳定电压。燃烧型空气加热器燃烧室的点火实验发现，采用N₂等离子体喷注面中心点火，可以在短时间内完成酒精-空气和酒精-液氧-空气的点火，最高燃烧室室压接近5MPa时，点火器仍能稳定工作，多次使用电极烧蚀不明显，在液体火箭发动机的重复可靠点火方面具有很好的应用前景。     

运载火箭圆柱形贮箱中推进剂大幅晃动的数值模拟

运载火箭飞行过程中,贮箱内推进剂晃动及波面破碎现象会对燃料贮箱产生较大的干扰力,控制不当会影响飞行稳定性.为了研究推进剂大幅晃动对贮箱结构的影响,建立了圆柱形贮箱内液体晃动非线性动力学模型,利用流体体积函数与水平集法解决了大幅晃动过程中产生的破碎波的描述及自由液面的追踪问题,并对三维圆柱形贮箱在多种含液状态下,由俯仰运...     

喷雾特性对液体火箭发动机燃烧稳定性的影响

用数值方法研究了一甲基肼／四氧化二氮自燃推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）喷雾液滴直径对火箭发动机燃烧稳定性的影响。从喷雾特性对蒸发速率的影响规律出发,发展了喷雾液滴大小影响蒸发速率的物理模型。以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞分析了燃烧不稳定性,应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,得到了对燃烧振荡的敏感分析,并给出了燃烧稳定性的极限图。     

喷雾液滴速度分布的实验研究

采用激光全息测量技术对两种压力式喷嘴的喷雾液滴速度进行了测量。实验中测量了喷雾场不同区域的液滴速度分布。实验结果表明:不同工况下, 喷雾初始区中某一种尺寸液滴的速度和运动角度并不相同, 而是具有一定的速度、角度分布范围, 其取值呈现一定的随机性;在不同轴向位置处, 相应于本文的实验工况, 液滴运动速度和运动角度均随轴向距离的增加而减小, 但对于不同的尺寸, 运动参数的变化程度又有所不同。