小推力液体火箭发动机燃烧室内流场数值模拟

为研究不同直径的推进剂液滴碰撞火箭发动机燃烧室壁面后对流场的影响,在FLUENT基础上通过UDF程序加入液滴撞壁模型,对一种双组元自燃推进剂发动机燃烧室内推进剂的蒸发、流动、燃烧过程进行分析计算,得出燃烧室的流场,液滴分布,液滴撞壁后轨迹的变化以及发动机的各项性能参数,符合规律的数值模拟结果,可为发动机的设计和试验提供依据。     

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。     

三维非定常流场显示与测量

给出80°三角翼和Λ机翼模型低速三维非定常流场显示和测量结果,包括大迎角和大滚转角时前缘涡跳动频率及相应模型的抖动频率测量,模型作大幅度振动时流动图象的相位平均测量,以及由平行6片光经三维重建得到空间流动图象.测量结果表明,获得了在大迎角下模型抖动是由前缘涡的非定常跳动引起的这一新的流动机理.作为一种新的测量技术和新概念,模型大幅度振动时流动图象的相位平均测量,提供了研究非定常涡特性和定量确定涡核位置的有效手段.类似核磁共振(MRI)图象处理,由平行6片光流动显示经三维重建得到空间图象,对于分析涡的破碎、绕合、再附等现象是流动显示技术的新进步.     

气流中煤油凝胶液滴变形破碎过程的试验

为了研究煤油凝胶液滴的二次雾化特性,以煤油凝胶和煤油为工质,利用高速摄像系统对均匀气体射流中的液滴变形破碎过程进行了记录测量,获得了不同We下液滴变形破碎的模态特征及转变We,研究了Oh对总破碎时间的影响和We对最大直径变形率的影响。结果表明:在试验工况范围内,煤油凝胶和煤油液滴都依次出现振荡、袋形、多模态破碎模态,但模态特征和转换We不尽相同。煤油液滴总破碎时间随Oh的增加而增加,而煤油凝胶液滴总破碎时间随Oh的增加先增加后减小再增加。煤油液滴最大直径变形率随We的增加先增加后不变,而煤油凝胶液滴最大直径变形率随We的增加先增加后减小。基于试验数据,分别获得了煤油凝胶和煤油液滴的总破碎时间关于Oh,最大直径变形率关于We的拟合关系式。     

轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析

为了改善迄今轴承腔油滴运动分析未包含油滴与空气热量传递以及油滴相/空气介质均相处理中油滴含率确定方式不够准确的不足,借助单个油滴运动分析和油滴尺寸分布提出了轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析方法。首先在考虑单个油滴与空气对流换热条件下,将油滴能量方程嵌入运动方程,并同步离散求解油滴运动方程和能量方程,实现了单个油滴运动速度和温度的联立求解,通过与试验结果对比证明考虑温度效应有助于提升油滴速度计算的准确性;然后确定了轴承腔油滴尺寸分布,并离散油滴尺寸分布范围以及轴承腔流场空间,进行油滴运动分析确定了轴承腔不同径向位置处油滴的体积和质量含率及油滴相与空气的动能和热能传递量。构建了圆盘腔油滴含率试验台,开展了油滴体积含率的试验测量,理论计算值与试验值较为吻合,验证了轴承腔油滴含率分析方法的有效性。     

硅基防热材料表面流动特性研究

硅基复合防热材料在气动热试验时,表面有大量的熔融物质在气流作用下形成流动的液态层,其表面流动特性直接影响防热材料表面温度、质量损失和线烧蚀量,也间接决定了防热材料的烧蚀性能和隔热性能。本文通过烧蚀机理分析和光学非接触式测量的方法,研究某类硅基材料的流动特性。烧蚀机理分析将熔融物质视为液态边界层,研究其与固体防热材料表面之间的运动特性,同时考虑质量引射效应和液态层蒸发现象,得出液态层流动速度与气流剪切力、液态层厚度和液态层动力黏度的相关公式。光学非接触式测量方法以3D摄影测量为基础,结合PIV增量相关匹配算法和光流法,研究熔融液滴在固体防热材料表面整体的和单一的运动特性。在某一特定的流场状态下,对于表面液态层流动速度,烧蚀机理计算结果为26mm/s,而光学非接触测量结果为10mm/s。两种方法的误差来源主要是理论假设、材料参数和测量区域等方面的不同。研究结果表明,液滴之间具有很强的相互作用且流动速度差距较大,烧蚀机理分析可以做为工程计算方法预估试验结果,而光学非接触测量可以做为烧蚀机理分析的验证手段,并给出防热材料在试验过程中的烧蚀特性。     

不同液滴破碎模型的验证及柴油机在燃气混合过程中的应用

在射流不稳定性理论的基础上,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中;根据液滴的变形量采用TAB与KH-RT模型竞争的机制来计算液滴二次破碎;建立了Hybrid液滴破碎的数学模型。通过与实验数据、TAB和KH-RT破碎模型的计算结果对比,验证模型计算的准确性。Hybrid模型计算的液滴碰壁后飞溅半径和高度的最大相对误差分别为8%和6%,远小于其他两个模型的最大相对误差值。将验证过的三个破碎模型应用于柴油机中,比较了三个破碎模型对燃油分布的影响。研究发现,Hybrid模型的计算结果较比TAB和KH-RT模型准确度更高。      

空心锥形喷雾与横流掺混特性研究

在空心锥形喷雾与横向气流掺混过程中,大尺度对称旋涡对CVP(Counter-Rotating Vortex Pair)是影响液滴扩散的主要机制,为了研究CVP结构的演变特性,本文开展了空心锥形喷雾与横向气流掺混过程的实验研究,采用PIV可视化技术对不同喷雾状态与横流速度下掺混流场中液滴的扩散与分布特性进行了测量。结果表明:CVP的卷吸夹带作用使雾化液滴主要分布在掺混流场中上部;初始雾化液滴动量较大时,CVP结构尺寸与涡心强度越大,有利于液滴的扩散;横流速度提高时,CVP结构位置上移,尺寸减小,掺混效果变差。采用涡心强度、涡心距与涡心高度三个参数来描述CVP结构强度特征,基于实验测量结果给出了CVP结构上述特征参数的关联式。在横流速度、喷嘴压力和初始雾化粒径3个变量中,初始雾化粒径对CVP结构影响最大,而喷嘴压力和横流速度的影响较小。     

液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面,可以大幅度减轻对高能耗防/除冰技术的依赖程度,进而提高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段,分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6Al4V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构,然后在1mol/L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线,构建出微/纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察了微观形貌的变化规律,利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法,实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,实验验证了模拟方法与铺展计算模型的正确性,并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题,分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。     

有蒸发稀液雾冷态射流的大涡模拟研究

为研究气相湍流场中液滴弥散和蒸发过程的特点和影响因素,加深对气液耦合作用的认知,用欧拉-拉格朗日相结合的办法数值模拟了稀液雾冷态受限射流和自由射流。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟技术模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑相间质量、动量、能量交换,采用相平衡蒸发模型模拟液相的蒸发效应。模拟得到的液相速度场、粒径分布和质量流率等均和实验数据较好吻合。有回流的受限射流中初始惯性对Stokes数大的液滴弥散影响较大,而Stokes数在1附近的小液滴弥散更受气相流场结构影响。液雾单位体积蒸发速率和液滴弥散分布密切相关。自由射流中液滴受初始惯性和受气相流场作用大体一致,大小液滴的弥散分布基本满足自相似性。