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液/液同轴旋转射流稳定性及液膜破碎机理研究

丁佳伟  
【摘要】:双组元液体火箭发动机是航天运载系统中的主要动力,是航天发展的基础与核心。在双组元液体火箭发动机中,液体燃料和氧化剂的雾化、蒸发和混合过程,其均匀性和效率直接影响燃烧的稳定性和燃烧效率,进而影响发动机的工作效率和稳定性。因此研究喷注单元的雾化特性和推进剂雾化机理对发动机的设计具有重要意义。液/液同轴离心式喷嘴由于其雾化效率高,雾化效果好而得到广泛应用。本文以液/液同轴离心式喷嘴产生的液/液同轴旋转射流为研究对象,针对其射流形态、液膜破碎特性、射流稳定性、近喷嘴区表面波特性及流场特性等展开深入研究,系统深入地对液/液同轴旋转射流液膜的破碎机理进行揭示,为双组元液体火箭发动机喷注器及燃烧室的设计提供理论支持。采用实验方法对液/液同轴旋转射流的形态及液膜破碎特性进行研究。建立了液/液同轴旋转射流实验台,其中包括台架、挤压式液体供应系统、液/液同轴离心式喷嘴以及光学拍摄系统和粒度测量系统等。基于喷雾图像分析了液/液同轴旋转射流破碎过程,对不同喷射参数下液/液同轴旋转射流形态进行了分析。研究了内、外路喷射参数对液/液同轴旋转射流液膜破碎特性的影响规律,揭示了射流喷射We数对液膜破碎特性的影响机制;划分了不同喷射参数下的射流初次破碎区、二次破碎区及碰撞聚合区,揭示了沿射流轴向方向不同区域的液滴分布规律。针对液/液同轴旋转射流液膜碰撞后形成的双层液体圆环旋转射流,基于线性稳定性理论,建立描述其表面波稳定性的色散方程,基于Muller方法对时间模式下的色散方程进行了数值求解,并对色散方程进行验证分析。研究了近反对称波形和近对称波形的扰动对射流稳定性的影响,明确了对液膜的破碎过程起到支配作用的为近反对称波形的扰动。对不同角向模数下的扰动增长率的变化情况进行了分析,表明射流破碎是不同模式的扰动共同作用下的结果。分析了液/液同轴圆环旋转射流各无量纲参数对射流支配扰动增长率和支配扰动波数的影响规律,揭示了液体旋转强度、液体流速比、气液密度比、表面张力及液膜曲率对射流稳定性的影响机制。基于大涡模拟方法和VOF方法,在OpenFOAM中实现了液/液同轴旋转射流气液两相流大涡模拟求解器的开发。在求解器中耦合了自适应网格方法,并对气液两相流大涡模拟求解器在集群工作站上进行了编译,实现了集群多节点间的并行计算,为液/液同轴旋转射流破碎机理的数值模拟研究提供了有力工具。采用气液两相流大涡模拟求解器对液/液同轴离心式喷嘴内部流动进行了数值模拟,基于模拟结果对液/液同轴离心式喷嘴内部流场特性进行了研究,揭示了喷嘴内不同区域液体速度的变化规律;明确了喷射压力对喷嘴内液体分布、喷嘴出口液膜厚度、喷嘴出口速度分布等特性的影响规律,阐明了喷嘴出口速度对液膜锥角的影响机制。采用气液两相流大涡模拟求解器对液/液同轴旋转射流液膜破碎过程进行数值模拟,得到了液/液同轴旋转射流喷束结构及流场信息。对液/液同轴旋转射流破碎形态进行了分析,包括射流整体喷雾形态及近喷嘴区的液膜形态;分析了射流表面速度分布及速度场特性,揭示了旋转射流回流区形成机制及气液间相互作用对射流破碎特性的影响机制;分析了近喷嘴区域液膜表面波形态,明确了近喷嘴区内、外路液膜相互作用下的表面波特性及其产生机制;研究了液/液同轴旋转射流液丝破碎机理,明确了液丝破碎机制为表面张力驱动下的瑞利型破碎,明确了液丝破碎的长度尺度。


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