偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究偏心撞击对撞击式喷嘴雾化特性的影响,建立了求解自燃推进剂冷态射流撞击雾化过程的数值模拟方案,计算了不同偏心度条件下的射流撞击雾化过程。采用树形自适应加密算法直接求解不可压Navier-Stokes方程组,由分段线性的流体体积(VOF)方法对流体界面进行捕捉。结果表明偏心撞击会导致雾场发生偏转,当无量纲偏心度E为1/8时,雾场偏转角度约为9.2°,应控制加工偏差小于该值。随着偏心度的增大,液膜的偏转角度增大,理论推导得到的液膜偏转角度要小于数值计算得到的液膜偏转角度。正心撞击时燃料与氧化剂流强峰值接近,雾场的流强分布呈单峰分布。当发生偏心撞击时,由于燃料与氧化剂部分射流未参与撞击导致流强峰值出现交错,雾场的流强分布呈双峰分布,混合比的空间分布发生较大改变。正心撞击时撞击点下游液滴的速度分布近似呈轴对称分布,而偏心撞击之后的速度分布则呈中心对称分布。偏心撞击导致的射流动量损失使得雾化性能变差,当无量纲偏心度E为1/8时,一甲基肼(MMH)的Sauter平均直径增大约4.8%,四氧化二氮(NTO)的Sauter平均直径增大约5.8%。      

背压对撞击式喷嘴雾化特性影响研究

为研究背压对撞击式喷嘴雾化特性的影响,将压力的变化等效为气体密度的变化,基于一种树形自适应加密算法,通过直接数值求解不可压Navier-Stokes方程组实现了不同背压条件下射流撞击雾化的数值模拟。首先将数值模拟结果与试验数据进行对比,验证数值模拟的有效性,在此基础上开展了高背压条件下雾化过程的数值模拟。结果表明,随着背压的提高,气动力相应增强,液膜的破碎更加剧烈,一次雾化区域的液滴数密度增大,雾场由稀疏向稠密发展;液膜在向下游运动过程中波动速度的幅值逐渐增大,并且随着背压的提高,液膜的波动由线性向非线性转变;背压增大导致破碎长度减小,经过参数修正得到了液膜破碎长度的经验公式,并与试验数据进行了对比;背压对液滴尺寸分布规律没有显著影响,但随着背压的提高,同一时刻大液滴所占的比例提高,整个雾场的Sauter平均直径有增加的趋势,当背压从0.1MPa增大到1MPa时,雾场的Sauter平均直径由155.5μm增大到166.9μm;背压增大,液滴粒径分布的均匀度指数减小,液滴尺寸分布更加不均匀。     

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。     

受控液扇撞击的混合特性研究

对溅板式层板喷注单元撞击后产生的两个相同受控液扇的混合特性进行研究,探讨液扇扩张角β对混合效率因子Em的影响。研究过程中对圆柱射流流强分布数学模型进行分析并改进,建立了适用于两个相同受控液扇撞击后的流强分布的数学模型。模拟计算Em值与试验值的偏差在-0.86%~12.9%之间。研究结果表明：当β〈60°时,Em随β的增...     

煤油液滴高压蒸发特性

采用真实流体模型描述高压下流体热物理性质的非理想性,并采用状态方程（EoS）法计算多组分高压气-液相平衡及环境气体溶解性,在此基础上建立包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对中国新一代高压补燃液氧/煤油发动机,详细研究了煤油液滴在超临界环境下的高压蒸发特性及各因素影响机理。结果表明：高压环境会显著加快液滴温升速率,但弱超临界环境下仍然为相平衡控制的亚临界蒸发状态;只有强超临界环境下才较容易发生扩散控制的超临界蒸发状态。在高压、高温环境下,忽略气相溶解性将导致液滴蒸发速率明显偏小。针对弱超临界环境,温度升高会使液滴蒸发速率单调增加;压力升高则在低温下降低蒸发速率,而在高温下加快蒸发速率。针对强超临界环境,温度升高只提升初始亚临界蒸发阶段的蒸发速率,而超临界蒸发阶段的蒸发速率与环境温度无关;压力升高则同样会提升初始亚临界蒸发阶段的蒸发速率,但会降低超临界蒸发阶段的蒸发速率,此时的总蒸发寿命随压力升高小幅下降。     

径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响

为了研究径向孔形状对针栓式喷注器液膜下漏率的影响并对其进行准确预估,以径向圆孔液束的相对变形模型为基础,通过类比分析提出了矩形孔的相对变形理论模型,并考虑多喷注单元间相互影响和不同高宽比矩形孔的绕流侧边效应,首次建立了径向矩形孔的下漏率模型。通过试验及数值仿真对模型进行了验证分析,结果表明理论预估结果与数值仿真及试验结果吻合较好,也表明针对矩形孔建立的相对变形模型及下漏率模型具有较好的准确性。另外,研究表明矩形孔的下漏率除了与几何阻塞率、有效动量比及液膜厚度与液束孔宽度之比有关外,还与高宽比有关;3种不同高宽比情况下的下漏率均显著小于几何下漏率;同时下漏率随有效动量比增大而增大的趋势均较平缓。综合分析径向圆孔和3种不同高宽比矩形孔的结果发现,在径向孔横截面积及流量等工况参数完全相同的情况下,径向孔形状对下漏率有显著的影响,矩形孔的下漏率显著低于圆形孔的;矩形孔的高宽比越大,下漏率越大。实际应用中选择矩形孔更有利于控制下漏率,并可通过改变高宽比控制下漏率;同时在变工况过程中,矩形孔的下漏流量也会随着主路推进剂一起调节变化,保持下漏率变化不大,故具有较好的大范围变推力流量匹配特性。     

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。     

雾化过程的一种Euler-Lagrangian耦合算法（英文）

对雾化过程的直接数值模拟需要巨大的计算资源和时间,而工程中的简化模型则经常会给出错误的结果。因此,可以折中地采用一种混合方法,即在不同尺度上采用不同的模型。提出了一种雾化过程的欧拉——拉格朗日耦合算法。较大的液团采用VOF法直接求解,与网格尺度相当或更小的液滴则采用双向耦合的拉格朗日粒子法进行追踪。而该方法要求粒子的体积小于网格体积的10%,为此又提出了一种虚网格粒子追踪法。由于湍流结构对雾化过程的影响很大,故湍流采用了大涡模拟模型。采用多个算例对开发的算法进行了验证,并对部分关键参数的影响进行了深入研究。采用新算法对两股撞击射流的雾化过程进行了研究,瞬态和统计结果均表明新算法能够给出良好的预测。     

复合推进剂实际点火过程的实验研究

固体火箭发动机的实际点火过程是极为复杂的,它不但是个瞬变过程,而且还是包括对流、导热和辐射传热过程等的复杂的物理化学过程,为了形象地揭示固体火箭发动机的实际点火过程,本文作者设计了带透明窗的小型点火试验发动机装置,采用高频响压力传感器、光电管和高速摄影,利用同步控制装置,极为准确地记录了这一过程。     

状态方程对煤油液滴高压蒸发计算的影响

分别基于RK、SRK和PR等不同真实流体状态方程(EoS)建立了包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机，对煤油液滴在高压N 2 环境下的蒸发过程进行数值研究，重点分析了不同状态方程对N 2 -C 12 H 26 二元系统高压气液相平衡，及进一步对煤油液滴高压蒸发计算的影响。结果表明：对液滴蒸发速率影响最大的参数是液滴表面蒸气质量分数，而对该参数影响最大的则是所选取的状态方程。基于SRK和PR EoSs的高压气液相平衡及液滴高压蒸发计算结果均与试验数据符合较好，可正确描述液滴高压蒸发特性；而基于RK EoS的相平衡计算结果显著高估液滴表面蒸气质量分数和环境气体溶解度，并低估临界混合温度和偏摩尔相变热，进而在亚临界蒸发状态下高估蒸发速率，在超临界蒸发状态下低估蒸发速率。另外，基于RK EoS的计算中液滴发生跨临界转变所需的环境温度显著低于基于SRK和PR EoSs的。