低频压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型

为了获得运动液滴蒸发过程对压力震荡的响应特性,从宏观上对压力振荡环境下的液滴蒸发过程进行了分析,压力振荡会引起液滴周围边界层内蒸汽质量分数的振荡,从而引起液滴蒸发速率的振荡。根据折算薄膜理论,提出了折算饱和蒸汽边界层的概念,基于已有的液滴蒸发准稳态模型,建立了压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型,并进行数值求解,结果表明,液滴蒸发过程对低频压力震荡具有很强的响应能力,尤其对压力震荡幅值、频率比较敏感。     

乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应的试验研究

设计制造了一种旋转式气流换向阀,使用该换向阀能够产生较高频率、较大振幅的压力振荡,在此基础上建立了压力振荡环境下燃料液滴蒸发过程的试验系统,利用高速阴影成像系统对乙醇液滴蒸发过程对压力振荡动态响应特性进行了试验研究,试验结果表明,乙醇液滴蒸发过程对压力振荡具有快速响应的能力,压力振荡过程中,蒸发速率并不与环境压力的值成正比,蒸发速率的最大值发生在压力下降过程的后期阶段,蒸发速率的大小与压力振荡的频率、振幅有关。     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

高压不稳定环境中的燃料液滴蒸发

对燃料液滴在高压不稳定环境中的蒸发进行了研究，着重讨论了气相介质压力振荡对液滴蒸发特性的影响，计算了Ｃ１２Ｈ２６液滴在Ｎ２介质中蒸发时的蒸发速率、滴温和无因次滴径随时间的变化。结果表明：（１）蒸发速率、滴温发生相同频率的振荡，相位滞后分别为π和π／２；（２）压力振荡使蒸发速率平均值增大，液滴生存时间减少；（３）在不定常加热阶段压力振荡影响很小。     

煤油液滴在富氧燃气中不稳定燃烧的数值研究

采用数值分析的方法,对富氧燃气中的煤油液滴的不稳定燃烧过程进行了研究。采用一维轴对称N S方程,考虑了高压实际气体物性和液滴/气团表面气液平衡。计算中空间和时间尺度分别为μm和μs的量级。结果表明,液滴在接近超临界点时,物性的快速变化会引起一定频率的自发振荡;超临界气团对不同压力振荡频率的响应不同;煤油蒸汽的消耗速率对压力振荡的响应不同于蒸发速率的响应,热量释放对压力振荡也具有明显的响应。     

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。     

振荡环境下推进剂液滴亚临界蒸发响应特性

针对推进剂液滴在惰性气体中的蒸发过程建立了非定常物理模型,并应用全隐差分格式离散模型方程进行数值求解。研究了液滴蒸发过程对环境气体压力振荡的响应特性,可为液体火箭发动机不稳定燃烧分析提供理论基础。      

考虑自然对流的厚交换层液滴蒸发模型及其检验

两相模型对航空发动机燃烧室数值模拟的准确性至关重要,液体燃料的蒸发特性是两相模型的一个关键因素,为了得到准确合理的两相模型从而为燃烧室的设计提供依据,采用悬滴法实验研究了甲醇、煤油及航空煤油液滴在静止环境下的高温蒸发现象,并得到了液滴蒸发速率随环境温度的变化规律。比较实验数据与已有液滴蒸发模型计算结果,发现二者具有较大差距,分析认为已有模型应该考虑静止环境中自然对流对液滴蒸发的影响。在前人工作基础上,用考虑自然对流浮升力因素的厚交换层理论对静止环境下液滴的高温蒸发进行理论推导,得到新的蒸发模型。采用本文实验结果及文献液滴蒸发实验数据对新模型进行了检验。对于甲醇和煤油,在本文的实验工况下,新模型计算结果与实验结果具有较好的一致性,与实验的相对偏差不超过20%;对于煤油,新模型计算结果与文献实验结果的相对偏差不超过10%。     

环境压力对双组分运动液滴蒸发特征影响的理论研究

为获得亚临界条件下,环境压力对双组分运动液滴蒸发特性的影响规律,基于多组分液滴蒸发模型,对癸烷—乙醇二元混合液滴在高温氮气环境下的运动蒸发过程开展模型研究。通过模型计算,获得了液滴内部浓度分布、温度分布和液滴速度随时间的变化;分析了在环境压力0.1MPa和2MPa下,不同浓度液滴温度、尺寸及表面乙醇浓度的变化特征。结果表明:双组分液滴运动蒸发过程中,内部存在显著浓度和温度梯度,传热扩散快于传质扩散。常压环境下,液滴温度经历瞬态加热和平衡蒸发两个阶段,而高压环境下,液滴温度逐渐升高至接近环境温度。双组分液滴蒸发过程中由于组分浓度随时间变化,其无量纲尺寸随时间变化明显偏离"d 2理论";环境压力越高,液滴运动的贯穿距离越短,蒸发速率越慢。乙醇浓度对液滴蒸发速率的影响有两方面:蒸发前期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率越快;而蒸发后期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率反而越慢。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

边界层抽吸和脉动反压作用下隔离段内流动特性研究

为了解上游边界层抽吸控制和下游周期脉动反压作用下隔离段内流动特性,采用非定常数值模拟和理论分析相结合的方法,对来流Ma=2情况下的隔离段内激波串动态演化特性、激波串形态结构变化以及激波串演化迟滞现象进行了研究。结果表明,在脉动反压和边界层抽吸作用下,激波串在上游抽吸狭缝与下游隔离段出口之间周期振荡,振荡频率与脉动反压一致。在振荡过程中,首道激波串形态在规则反射与马赫反射以及马赫反射与弧形激波(包含正激波)之间相互转换。边界层抽吸将激波串固定在抽吸狭缝位置,有效提高了隔离段抗反压性能,脉动频率越大,可承受的瞬态反压峰值越大。在一个振荡周期内,激波串向上移动速度较向下移动更快,且在上下移动过程中形态变化存在迟滞现象。     

液体燃料在毛细管出口扩散火焰燃烧特性

为了解微尺度扩散火焰燃烧特性,选用液体燃料,进行燃烧实验,并利用理论模型对层流火焰高度进行了预估。结果表明:毛细管层流扩散火焰尺寸随燃料流量的增加而增大,水平方向当流量大于50μL/min时,由于燃料蒸发不完全,会有液滴喷出,火焰尺寸增长速度变小;竖直方向受浮力影响,火焰高度被拉长,远大于水平方向。火焰尺寸越大,振荡越剧烈,表现为振荡周期随流量的增加而减小,且竖直方向小于水平方向。燃料含碳量影响火焰特性,含碳量越多,火焰尺寸越大,火焰越明亮,振荡越剧烈。流量较大时,含碳量较多的煤油会向管口周围喷射燃料,形成剧烈振荡的不稳定火焰。竖直方向火焰高度与管口处燃料蒸汽雷诺数成正比,Roper模型预估结果与实验结果相近,可用于计算液体烃类燃料在竖直方向的层流扩散火焰高度。      

考虑来流边界层的超燃燃烧室喷射特性

针对超燃燃烧室中的燃料掺混问题,采用基于雷诺平均Navier-Stokes的数值模拟方法分析了考虑来流边界层条件下的燃料横向射流流场特征及其掺混特性.研究发现:对于确定的来流边界层,燃料喷射存在一个临界动压比.当动压比低于该临界动压比时,增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率.而当动压比大于该临界动压比时,来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响.对于所研究的流动状态,该临界动压比约为0.900.在相同动压比下,所选厚来流边界层条件下的总压恢复系数仅约为薄来流边界层的0.93倍.其中,来流边界层内的摩擦损失是造成超燃燃烧室低总压恢复的主要因素,而改变来流边界层厚度对喷流及下游流场总压损失造成的影响相对较小.     

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

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。