液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。     

液体射流首次破碎的直接数值模拟及动力学过程分析

为探究液体射流破碎的失稳和首次雾化过程,结合使用VOF(Volume of Fluid)界面流模拟方法和有界压缩格式,对以30m/s的速度进入静止空气的射流进行了直接数值模拟。计算捕捉到了射流破碎引起的液丝和液滴和复杂流场结构的演化过程,以供开展动力学特性研究。研究分析了射流头部和液柱核心的形态变化过程,考察了射流与周围空气两相之间的相互作用机理。分析指出射流前锋最先受到扰动,在空气动力作用下产生液丝和液滴,同时将扰动借助气相和液相两种介质向上游传递,对射流的破碎进程产生促进作用。随着射流失稳和破碎程度加深,流场高度紊乱,使得气液混合程度进一步提高。揭示了射流首次破碎时头部抽丝的动力学机制,以及液丝在周围气体影响下演变并产生液滴的若干机制。     

基于树形自适应网格的旋流液膜雾化过程仿真

为实现旋流液膜雾化过程的数值精确求解,基于Gerris采用的自适应网格技术和VOF方法,建立了一种模拟旋流液膜雾化过程的数值方法,分析了雾化破碎过程及三维雾场特征。研究结果表明:Gerris能够逼真地展示旋流液膜破碎成液丝、液丝进一步破碎成液滴全过程的细节特征,雾化破碎过程图像与实验拍摄的基本吻合;通过统计分析计算的带旋转速度的直射流雾化过程全场液滴粒径空间分布,与文献中实验测量值也吻合较好,分布曲线峰值对应的液滴直径的差值为1.8μm,相对误差为13.8%,表明建立的计算方法具有较高的准确性。另外,通过对旋流液膜破碎过程的精细仿真,对其有了更清楚的认识,液膜雾化过程中存在二次雾化现象,液丝在运动过程中受到气体力和表面张力的作用,开始断裂形成大液滴或液团,随着进一步运动收缩破碎成小液滴,液滴形状渐渐由不规则的柱形变成类球形。带旋转速度的直射流和空心旋流式锥形液膜的液滴空间分布存在不同,前者液滴在锥形区域内都有分布,而后者液滴只分布在锥形液膜两侧的环形区域。     

非零压差边界下间隙流动雷诺方程近似解析解

为了获得间隙密封、滑动轴承等的液膜压力分布解析表达式,将间隙流动雷诺方程的解析解表示为特解和通解之和,其中特解表示为周向坐标函数和轴向坐标函数之和,通解表示为周向坐标函数和轴向坐标函数之积,结合分离变量法和非零压差边界条件,推导获得间隙流动雷诺方程的近似解析解。基于近似解析解计算间隙密封的液膜承载力和偏位角等参数,并与采用有限差分法的计算结果对比,其中液膜承载力偏差小于5%,偏位角偏差小于3°,而计算效率提高了数百倍。      

液体火箭发动机燃烧室壁液膜冷却的数值模拟

为研究液体火箭发动机的液膜冷却,建立了液膜模型。考虑核心气流与液膜间的对流传热,辐射传热以及壁面与液膜的对流传热分析传热量,由液膜的卷吸和液膜的蒸发计算传质,并由气液界面和液固界面的摩擦力分析流动情况。在400N小发动机内流场数值模拟中采用了该液膜模型,计算得到的壁面温度分布与试验结果符合较好,表明该模型是合理可行的。改变发动机燃烧室半径和圆筒段长度,将数值模拟结果对比分析发现:在一定范围内随着半径和圆筒段长度的增加,液膜长度减小,室壁温度升高,冷却效果变差。研究结果可为发动机的设计提供参考。      

异钛合金蜂窝结构钎焊工艺研究

针对钛合金薄壁结构的钎焊制造技术,通过研究在钎料作用和不同钎焊温度下基体材料的微观组织、相变点、刚度和屈服强度的变化发现,钎料元素扩散导致TC1材料相变点降低,在875℃发生α+β→β相转变,而TC4钛合金直至905℃尚未发生α+β→β相转变.在875℃下,随着保温时间延长,TC4材料的晶粒尺寸有所长大,导致刚度和屈服强度明显下降.当钎焊温度为875℃,保温时间不大于60min时,TC4钛合金板材的刚度和屈服强度不低于原始材料的86％.确定出TC4/TC1钛合金异质钎焊工艺范围为865～875℃、保温30～60min.研究结果为钛合金蜂窝结构的钎焊制造技术提供理论依据和参考.     

热处理对高强铝合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能的影响

通过"搅拌摩擦焊+固溶+人工时效热处理"的方法实现了12 mm厚航天用高强铝合金2A14M的焊接及接头性能改善。研究表明未进行焊后热处理的焊接接头断裂位置位于焊核区,平均抗拉强度为192.3MPa,接头显微硬度呈"几"字形分布,硬度分布峰值位于焊缝区,接头不同特征区域的硬度差高达60。采取的焊后热处理对焊接接头及母材不仅具有细化晶粒、改善组织均匀性及优化强化相分布的作用,还能削弱拉伸过程中尖锐晶界对接头的撕裂作用,从而达到提高接头性能的目的,表现为:焊后热处理使接头内部显微硬度差为20,接头拉伸断裂于焊核区,抗拉强度达到440 MPa,为未进行焊后热处理接头的2.29倍;焊后固溶热处理的搅拌摩擦焊接头其断裂位置在焊核区及母材的几率大致相同,各占约50%,从而实现了提高搅拌摩擦焊接头性能的目标。     

悬浮铸造、半固态铸造与固液混合铸造

本文概述了悬浮铸造、半固态铸造和固液混合铸造工艺的基础理论研究，分析探讨了这三种特别具有发展前景的新型技术及加工工艺的特性及工程应用。     

利用PIV方法测量半浮区液桥热毛细对流的速度场

利用PIV法对硅油液桥热毛细对流的定常速度场进行了实时测量。为了便于测量,液桥上桥端面采取了铜环中嵌透明材料的方法,从液桥的顶部进行观测。当液桥上下桥有温差时,热毛细对流出现;本实验对于不同上下桥的温差,对液桥横剖面内的速度场分别进行了测量,研究外加温差对于流场速度分布的影响;并且在液桥中取了几个典型横截面进行测量,以期对大Pr数液桥的定常速度场有比较全面的定量测量。此外,实验结果也可作为数值模拟计算结果的验证。     

两端固支深梁弯曲问题的解析解

引入单位脉冲函数和Dirac函数之后，从平面应力基本方程出发，建立了两端固支深梁静力问题的状态方程，还给出了问题的解析解。算例分析表明，本文方法计算效率和计算精度相当好。