凝胶推进剂模拟液撞击雾化特性研究

为了寻求凝胶推进剂雾化机理、提高其雾化效果,开展幂律流体双股圆柱射流撞击的理论和实验研究。首先推导了幂律型流体射流撞击形成液膜的理论模型,在其中引入粘性力和能量损失。进而通过设计凝胶模拟液射流撞击实验,使用高速摄像机拍摄图像的方法进行了相关的实验研究,以验证理论的正确性。在此基础上,对撞击角度、射流速度分布及液体部分物性参数对液膜形状、厚度及速度分布的影响进行了分析,得到了相关参数的影响规律。研究结果表明,射流撞击角、速度型、液体表面张力系数、流变特性等均对液膜特性有明显影响,且流体本身的物理性质对撞击形成的液膜的影响更甚。     

幂律型流体雾化SPH方法数值分析

幂律型流体的雾化过程存在复杂的界面运动,用传统网格法很难精确追踪运动界面.为研究幂律型流体的雾化特性,运用SPH方法对典型的双股幂律型流体撞击雾化问题进行三维数值分析.根据文献实验,采用SPH方法模拟获得与实验条件相应的数值结果,对比后表明,二者雾化角相当吻合,数值结果还成功捕捉到液膜向液丝的破碎过程及网状的液丝分布状态,验证了方法的有效性.分析了射流速度和撞击角度对雾化角的影响,得到雾化角随着射流速度和撞击角度的增加而增大;对雾化后的速度场进行数值分析后表明,撞击点附近,惯性力的作用使速度场变化剧烈;在流体远离撞击点的过程中,粘性耗散作用使速度场趋于稳定,但速度大小小于初始撞击速度.     

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。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

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。     

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。     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

凝胶自燃推进剂撞击雾化燃烧特性试验研究

为研究凝胶自燃推进剂撞击雾化的燃烧特性,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了一甲基肼和四氧化二氮(MMH/NTO)及凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的对比试验。试验拍摄了燃烧条件下液态推进剂的雾化图像及OH基自发辐射图像,其中雾化图像采用高速相机及阴影方法拍摄,OH基自发辐射图像采用带OH基滤光装置的高速相机拍摄。结果表明:MMH/NTO撞击后能快速气化,只能观察到喷注面附近喷雾扇及少量细小液滴,而凝胶MMH/NTO撞击后形成的液膜及贯穿视场的液丝清晰可见,推进剂未完全气化燃烧,造成燃烧性能下降;凝胶MMH/NTO推进剂氧化剂燃料蒸发速率不匹配,彩色阴影图像可观察到大量待反应红棕色NO2气体;根据OH基自发辐射光亮度及分布,MMH/NTO在撞击角为75°,燃料射流速度为23m/s时即可充分燃烧,但凝胶MMH/NTO充分雾化燃烧需求撞击角及射流速度更大,着火及充分燃烧需求燃烧室更长。     

移动粒子半隐式方法GPU加速的双股射流撞击雾化模拟

为实现双股射流撞击雾化过程的高效数值求解并探究射流速度和撞击角度对雾化特性的影响规律,实现了移动粒子半隐式方法（MPS）GPU加速的双股射流撞击雾化模拟。GPU加速程序的最大加速比为16,取得了较好的加速效果。将GPU加速MPS方法应用于典型工况下的双股射流撞击雾化模拟,成功捕捉到了多尺度的液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程,模拟得到的液膜破碎长度及雾化角度与试验较为吻合,误差分别为11.7%和0.5%,验证了GPU加速MPS方法在双股射流撞击雾化问题中处理能力。参数化分析了射流速度和撞击角度对液膜破碎长度、雾化角度及一次雾化液滴索尔直径的影响。结果表明撞击角度增加或者射流速度增加均会导致液膜破碎长度减小、雾化角度增加、一次雾化液滴索尔直径减小。     

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。     

基于图像处理的高频脉动撞击雾化特性研究

为研究高频脉动下撞击式喷嘴的雾化特性,采用水力扰动装置产生喷前压力扰动,由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄,采用普通长焦距镜头拍摄宏观的喷雾场,采用微距镜头拍摄微观的喷雾场。为解决高频脉动喷雾场瞬态液滴粒径测量困难的问题,基于图像处理建立了雾场瞬态液滴粒径捕捉测量方法,获得了高频脉动喷雾场局部区域的Sauter平均直径（SMD）随时间的变化规律。从宏观来看,自然喷雾场的液滴空间分布比较均匀,而高频脉动喷雾场则出现了稠密区与稀疏区交替分布的现象。宏观雾场灰度值较小的区域对应稠密喷雾区,从微观来看,该区域的液滴行为更加复杂,发生了液滴碰撞融合、二次破碎等一系列复杂物理过程。雾场空间出现复杂的液滴行为,导致液滴的粒径分布与空间分布发生改变,对燃烧释热产生重要影响。自然喷雾场的SMD随时间的变化表现出白噪声特性,高频脉动喷雾场的SMD随时间的变化表现出周期性特征,并且周期性变化的频率与施加的强迫扰动频率一致。     

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。     

基于扩展TAB模型的凝胶液滴二次雾化特性研究

为初步研究幂率型凝胶液滴的二次雾化特性,将原始的Taylor-analogy-breakup(TAB)模型扩展并应用到幂率型凝胶颗粒中,采用四阶Runge-Kutta法对凝胶液滴的振荡方程和运动方程进行了数值求解,计算了不同空气动力和物性参数条件下的初始破碎时间和临界特征。结果表明:随着相对速度和液滴直径的增加,初始破碎时间迅速降低,然后保持稳定;随液/气密度比和表面张力系数增大,初始破碎时间呈线性增长趋势;初始破碎时间随稠度系数增大而增大,而当流动指数较小时初始破碎时间变化很小,流动指数超过0.6后初始破碎时间增长迅速,二者与相关实验比较存在一定误差;随Web数增大,液滴的振荡幅度变大,达到稳定后其无量纲变形系数就越大;凝胶液滴的稠度系数越高,临界Webc数越大,液滴二次雾化能力越低。流动指数小于0.6时,临界Webc数变化较小,而后其值则迅速上升。     

冲击射流换热数值模拟技术研究概述

介绍了冲击射流的特点,综合评述了对国内外冲击射流换热的试验和数值模拟研究进展.     

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82We691,9.6×10-4Oh3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。     

旋流雾化喷嘴雾化特性的数值模拟

为了掌握旋流雾化喷嘴的雾化特性,基于CFD软件建立了该喷嘴的几何模型进行数值模拟,在验证了网格无关性和数值模拟结果可靠性之后,通过VOF和Realizable k-ε模型对不同压差工作条件下和不同结构的喷嘴分别进行数值模拟。结果表明:旋流雾化喷嘴的雾化流量、雾化锥角和流量系数会随着进、出口压差的增大而增大;喷嘴的旋流强度会随着喷嘴进、出口压差的增大而减小;当喷嘴的出口直径和出口长度增大时,喷嘴的各项雾化参数与理论值更接近,相应的雾化效果变好。     

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。