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。     

双模块下颌式内转进气道/圆锥前体一体化布局研究

为实现三维内转进气道的内收缩流场与圆锥前体的外压缩流场的良好匹配，提出了一种双模块下颌式内转进气道/圆锥前体(Double-modules Chin Inward-turning Inlet and Conical Forebody，DCII/CF)一体化设计方法，获得一种新颖的双发并置、侧向安装的DCII/CF一体化布局。针对该布局形式，开展了DCII/CF一体化构型与传统的单模块内转进气道/圆锥前体(Single-module Inward-turning Inlet and Conical Forebody，SII/CF)一体化构型的数值对比研究。结果表明：DCII/CF一体化布局不仅为内转进气道提供了优秀的前体附面层排移效果，还有效避免了传统SII/CF布局中前体附面层与进气道内部流场之间的相互干扰。在Ma∞=6.0设计状态，DCII/CF一体化布局的进气道总压恢复系数相较传统的SII/CF布局有了显著提高，从0.403提高至0.482；但由于前体附面层的排移，该布局的捕获流量略有降低， SII/CF的流量系数为0.956，该布局则为0.917。而在非设计状态，该布局形式同样具备较好的总压恢复性能，在Ma∞=5.0与Ma∞=4.0的总压恢复系数分别达到了0.586和0.682，明显高于SII/CF的总压恢复系数0.507和0.619。     

内乘波式进气道与典型侧压式进气道的性能对比

采用流线追踪技术,基于一种有利于均匀性的基本流场,按内乘波式进气道设计方法生成了一个来流马赫数6.0且进出口形状均为矩形的内乘波式进气道。其设计马赫数、迎风面形状等因素均参照某典型侧压式进气道选取,以便与之对比。CFD计算结果给出了设计状态下该内乘波式进气道与某典型侧压式进气道的流量系数、总压恢复、动能效率等主要性能指标,发现该内乘波式进气道的各项性能参数均略优于侧压式进气道。在非设计马赫数、攻角、侧滑等非设计状态下类似的性能对比研究表明,该内乘波式进气道不仅在设计状态下可捕获98%的来流,而且在各非设计状态下也可捕获91%以上的来流,流量捕获性能优势明显。以上结果证实:实现三维压缩与激波贴口的内乘波式进气道是一种高性能的定几何进气道方案。     

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。     

横向气流中非牛顿液体射流直接数值模拟

采用直接数值模拟研究了动量比为6的非牛顿液体射流在横向气流中的破碎特征,重点分析了表面波发展、弯曲特性和展向扩散等射流结构及其非牛顿特征。在非牛顿液体射流的近喷嘴位置,其表面迹线随时间摆动,并有逆横向气流方向运动的趋势。射流的展向扩散仅在喷入初期较为明显,此后基本维持在接近35°的扩散半角。射流的一次破碎,尤其是液丝与液滴、甚而卫星液滴的生成过程都被精细地捕捉和描述。在近喷嘴的射流柱附近,横向气流流动具有一定的圆柱扰流相似性,在其他区域则表现为极其复杂的紊流特征。射流的非牛顿特性主要体现在黏性系数,不同位置的液体黏性系数相差超过20%。相较牛顿液体射流,剪切稀化的非牛顿射流具有更易破碎的特征。     

高压环境下剪切稀化非牛顿撞击射流直接数值模拟

高压环境下的撞击射流是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法，其雾化效果将直接决定最终燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具，对10 MPa高压环境下剪切稀化非牛顿直角撞击射流的三维非定常雾化特征、机理及非牛顿特性进行了研究。结果表明：高压环境下该撞击射流的雾化流场呈圆形辐射状分布并形成Mushroom头部和Ω状的局部凸起，气体中的涡量分布表现为有序贴附区和无序爆炸区两类，液膜向液丝的破碎主要受平均气体力和平均黏性力作用影响，而液丝向液滴的破碎则主要受局部流场参数影响，撞击雾化过程中液体无量纲表面积不断增长并可分为5个阶段。此外，撞击射流头部在局部强剪切力作用下其无量纲黏性系数最低降至仅0.7。     

给定下游边界的超声速流场逆向求解方法

为了实现超声速流场出口参数的可控设计,借鉴特征线方法在古尔赛特与柯西问题两类边值条件中的应用,提出了一种根据下游边界条件求解其依赖域的逆柯西问题求解方法,并在此基础上发展了一种均匀来流条件下的超声速流场逆向求解方法。对轴对称内收缩流场、二维平面流场、轴对称外锥流场三个典型算例校核表明,逆向求解方法得到的计算结果与正向特征线方法一致,由此验证了该逆向求解方法的可行性,并有效拓展了超声速流场的设计思路。     

曲锥前体/三维内转进气道一体化设计与分析

对圆锥流场在不同攻角条件下的气动特征进行分析,以流线追踪技术为基础,发展了一种曲锥前体/三维内转进气道一体化设计方法,获得了三个几何参数对一体化方案外形和性能的影响规律。研究发现,三维内转进气道侧壁外扩角对进气道流量捕获系数影响明显,而捕获形状圆心角对进气道的影响主要表现在几何特征上。此外,进气道流量捕获系数随外压缩段总长度的增大而减小。基于对捕获形状的研究,设计了一种曲锥前体/三维内转进气道,并通过数值模拟对该方案进行研究。结果表明:在设计点来流马赫数为6.0时,该方案进气道流量捕获系数能够达到0.93,且具有0.61的总压恢复系数;在非设计点来流马赫数为5.0时,流量捕获系数能够保持在0.86,总压恢复系数为0.77。      

基于密切原理的Bump进气道外压缩鼓包逆向设计

基于密切乘波理论提出一种Bump进气道外压缩鼓包的设计方法,可根据制定的激波形状及其曲率中心分布来逆向求解外压缩鼓包型面。通过引入曲率中心分布这一变量,可以控制横截面激波形状并调节外压缩鼓包的三维外型及其表面横向压力分布,进而提高外压缩鼓包的附面层排移能力。同时,发展了一种Bump进气道的流量系数快速估算法,能够在设计初期以不超过2%的误差快速给出进气道的流量系数。结果表明:基于密切原理的外压缩鼓包设计有利于改进Bump进气道的流量捕获和附面层排移能力。算例中,较锥导鼓包模型,密切鼓包方法设计的Bump进气道流量系数提升4.03%,附面层排移能力提升2.12%。      

内乘波式进气道与内型侧压式进气道性能分析(英文)

采用内乘波进气道技术设计了一个马赫数6进出口均为矩形的高超声速进气道。设计基于一种优于传统方案的基本流场(ICFC型),使用流面追踪和激波切割方法生成进气道三维造型。为了开展对比研究,选择了典型的侧压式进气道为参照,本文进气道设计马赫数、进口形状、收缩比等都与该侧压式进气道相同。数值模拟结果表明,内乘波式进气道的各项性能参数都不低于侧压式,多数性能(如流量捕获系数、总压恢复系数、动能效率等)比侧压式都有提高。对比设计工况的性能分析也显示内乘波式进气道性能明显优于侧压式,且在所考察的各工况下都能捕获超过91%的来流。研究证明了有效利用三维压缩来进行特定设计的内乘波式进气道是一种性能优秀的定几何高超声速进气道,尤其在改善流量捕获能力方面特别突出。