Thick exchange layer evaporation model with natural convection effect and evaporation experimental study for multicomponent droplet

In order to investigate the high-temperature evaporation characteristics of multicomponent liquid fuel, three kinds of blended fuel: n-heptane/n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol were experimentally studied with and without forced convection. Further, based on zero-diffusion and infinite diffusion concept, this study expanded Thick Exchange Layer evaporation model with Natural Convection effect (NC-TEL) to multicomponent liquid fuels. The experimental results show that the droplet evaporation rate increases significantly with the increase of ambient temperature. Higher temperature leads to more significant relationships between the composition ratio and the evaporation rate. The effect of forced convection is not obviously under the circumstance in this paper. Then, the evaporation models were validated by experimental data. In general, the new NC-TEL model behaves better than the Ranz-Marshall (R-M) model, and the prediction accuracy at high temperature is improved by 8% to 35%. In lower temperature conditions, the prediction of zero-diffusion NC-TEL model is better than the infinite diffusion NC-TEL model. In high-temperature conditions, for n-heptane-ethanol droplet, the predictions of NC-TEL model are accurate, but for n-decane/RP-3 aviation kerosene-ethanol, the predictions are lower than experimental results. This may be caused by the micro-explosion phenomenon and the Marangoni phenomenon.     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

超临界环境下煤油替代物液滴燃烧特性数值研究

为研究液氧/煤油火箭发动机燃烧室内经喷注形成的煤油液滴的燃烧过程,基于实际气体状态方程、高压热物性修正、高压气液平衡和详细化学反应动力学,建立一维的全瞬态液滴燃烧模型,对超临界环境下两组分煤油替代物液滴的燃烧特性及液滴初始直径的影响进行仿真研究。结果表明,在超临界环境下,相比于煤油液滴纯蒸发过程,煤油液滴燃烧过程的迁移时刻大大提前;煤油液滴着火之后很快进入超临界燃烧阶段,此时液滴燃烧过程可以看成中心附近的燃料高浓度区与外侧氧气高浓度区之间的扩散燃烧过程;煤油液滴的火焰半径先增大,达到最大值之后开始减小,并减小为零,火焰温度在着火之后快速上升至最大值,并基本保持不变,在火焰半径减小为零之后开始降低;随着液滴初始直径的增大,火焰特性以及液滴中心参数变化曲线趋势不变、整体延迟,着火时间、迁移时间和液滴寿命增大。     

乳化油的蒸发和燃烧研究

本文从理论和实验两方面研究航空煤油和0~#柴油乳化液的蒸发和燃烧特性。结果表明,乳化油燃烧时出现的微爆现象能明显缩短油珠的生存期,对提高燃烧效率和强化燃烧十分有利;乳化油的燃烧,也为抑制氮氧化物和微碳粒的生成提供了有利的条件。文中也详细讨论了主要工作参数对微爆过程的影响,对乳化油的工程应用有参考价值。     

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。      

燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响

采用混合分数平衡化学模型,燃烧与紊流相互作用的PDF模型和离散液滴模型,研究了不同位置喷射燃料对双模态冲压发动机燃烧室中煤油超声速燃烧凹槽火焰稳定特性的影响。结果表明,凹槽内均出现燃料和空气的混气,以及燃烧产生的高温区,可以达到稳定火焰,增强燃烧的目的;从凹槽局部参数以及燃烧室壁面静压的分布来看,凹槽上游0位置喷射燃料,更有利于燃料与空气的混合、燃烧,并且燃烧室总压损失较小,是最佳的喷射方式。验证了我们在实验研究中的所采取的设计方案。同时,有关煤油超声速燃烧的研究可以通过数值实验,并对实验测量起到指导作用,从而减少风洞实验次数。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

多组分液滴蒸发过程的理论模型及试验研究

建立了多组分液滴蒸发过程的理论模型，通过该模型计算了不同浓度的酒精液滴在静止环境中的蒸发过程，计算结果与试验结果基本一致。计算和试验结果表明：在蒸发过程中，液滴中酒精的浓度不断下降，受其影响液滴的蒸发速率也不断下降；酒精浓度和环境温度越高，液滴的蒸发速度越快。酒精液滴蒸发过程中，无量纲面积与时间不再是线性关系，这是与单组分液滴蒸发过程的本质区别。     

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。     

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.      

全状态两相湍流燃烧模型及其检验

在欧拉-拉氏体系中,在传统点源两相湍流燃烧模型(TM)中考虑液滴带火燃烧状态,提出全状态两相湍流燃烧模型(FSM),并用甲醇-空气两相湍流射流火焰实验数据对两种模型进行检验,对比结果表明:FSM模型能够给出平均温度的双峰分布,得到更合理的预报结果.      

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。     

凹槽火焰稳定器结构对煤油超声速燃烧的影响

采用混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型，研究了不同长深比和后缘倾角的凹槽在液体煤油双模态燃烧中的火焰稳定特性。结果表明，集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽，在所模拟的工作过程中增强了燃料与空气的混合和燃烧；并得到最优的凹槽结构；混合分数平衡化学反应模型和离散液滴模型能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧。     

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。     

航空煤油单滴汽化历史的计算法

本文提出了计算多组份燃料单滴汽化历史的一个可靠实用的新方法。文中将煤油视为十种虚拟组份构成的多组份混合物, 并推荐了虚拟组份有关物性参数的计算方法, 用作者发展的多组份液滴汽化方程组, 计算了三种国产航空煤油滴的汽化历史, 计算结果与实验数据吻合很好。      

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.      

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

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。     

液体火箭发动机燃烧室燃烧效率计算理论

本文提出了一个高压液体双组元自燃推进剂火箭发动机燃烧室计算模型。利用此模型对特种发动机燃烧室不同工况进行了计算,所得结果和各参数变化规律与试验数据相符合。该模型能将燃烧历程与燃烧室结构参数、工作参数、推进剂特性等关联起来,因而可为燃烧室设计提供理论予测。