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液体工质在小尺度空间喷雾特性的实验研究与数值模拟

赵娜  
【摘要】:小推力液体火箭发动机已广泛应用于航天飞机、飞船、动能拦截器、卫星、多级运载器之中,其作用主要是轨道修正、姿态控制、航天器的对接和交会、着陆等,是现代空间飞行器中不可缺少的组成部分。而正确地组织燃料在液体火箭发动机中的雾化燃烧过程,对提高发动机的工作可靠性、工作寿命、经济性和稳定性具有重要的意义。本文以小尺度液体火箭发动机为背景,针对HAN基液体推进剂模拟工质,设计了三种喷嘴结构:离心式喷嘴,撞击式喷嘴和空气雾化喷嘴,就其在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内的喷射喷雾特性进行了相关实验和数值模拟研究。主要研究内容及成果如下: (1)采用高速录像系统对离心式喷嘴的喷雾锥角特性进行了定量测试。结果表明:不同结构的离心式喷嘴,其喷雾锥角均随着喷射压力的升高而增加;双旋流槽离心式喷嘴,其喷雾锥角随HAN基液体推进剂模拟工质粘度的增加先增大后减小;四旋流槽离心式喷嘴,其喷雾锥角随液体工质粘度的增加而线性减小;在相同的喷射压力和液体工质粘度条件下,喷嘴出口直径越大,喷雾锥角越大。 (2)采用粒子动态分析仪(PDA)实验系统对离心式喷嘴在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内雾化参数的分布特性进行了实验测量。结果表明:对于不同喷口直径的离心式喷嘴,HAN基液体推进剂模拟工质雾化场液滴索特尔平均直径D32均随着喷射压力的升高而减小;在相同的喷射压力下,喷口直径越小,液滴粒径D32越小;对于喷口直径Du=1mm的离心式喷嘴,雾化场液滴轴向速度vz沿轴向先减小后基本不变;对于喷口直径Du=2mm的离心式喷嘴,雾化场液滴轴向速度vz沿轴向先增大后减小。 (3)采用PDA实验系统对撞击式喷嘴在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内雾化参数的分布特性进行了实验测量。结果表明:HAN基液体推进剂模拟工质雾化场液滴算术平均直径D1o和索特尔平均直径D32沿轴向逐渐增加,而液滴vz沿轴向逐渐减小;喷射压力越大,液滴平均直径越小;在0.8-1.8MPa范围内,液滴轴向速度vz随喷射压力升高而增大;在1.8-2.6MPa范围内,液滴vz变化较小。在相同的喷射压力条件下,液体模拟工质粘度越大,液滴D10、D32值越大,而液滴轴向速度v=值越小。此外,在相同的喷射压力和液体模拟工质粘度条件下,小尺度模拟燃烧室内雾化场液滴平均直径和轴向速度轴均大于大气环境中的值。 (4)采用PDA实验系统对空气雾化喷嘴在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内雾化参数的分布特性进行了实验测量。结果表明:HAN基液体推进剂模拟工质雾化场液滴平均直径D10和D32沿轴向波动增加,液滴轴向速度v=沿轴向是逐渐减小的;当液体喷射压力不变时,气体喷射压力越高,液滴D10、D32值越小,液滴vz越大;当气体喷射压力不变时,液体喷射压力越大,液滴D10、D32值越大,而液体喷射压力对液滴vz的影响较小。 (5)引入统计学中的离散系数,对离心式喷嘴、撞击式喷嘴和空气雾化喷嘴在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内的雾化场参数的空间分布均匀性进行了定量分析研究。结果表明:喷射压力和壁面限制作用都会对雾化场参数分布均匀性产生影响。离心式喷嘴和空气雾化喷嘴雾化场液滴参数在大气环境中周向分布均匀性优于小尺度模拟燃烧室内的。而撞击式喷嘴雾化场液滴平均直径在小尺度模拟燃烧室内分布均匀性优于大气环境中;在r12mm的径向范围内,小尺度模拟燃烧室内液滴轴向速度的分布均匀性较好;在r15mm的径向范围内,大气环境中液滴轴向速度的分布均匀性优于小尺度模拟燃烧室内。 (6)基于VOF模型,建立了一种三维非稳态气液两相流模型,对离心式喷嘴内HAN基液体推进剂模拟工质流动特性进行了数值模拟研究。模拟结果表明:该模型可以捕捉到离心式喷嘴内的气液界面变化;旋流室内的空气核在周围液体带动下旋转,并在气液交界面形成气液掺混带;喷雾锥角随着时间推移逐渐减小,并趋于稳定;旋流室越长,喷雾锥角越小;旋流室收缩角越小,喷雾锥角越小;液体模拟工质粘度越大,喷雾锥角越小。喷雾锥角的数值模拟结果和实验结果吻合较好。 (7)在离心式喷嘴实验基础上,采用离散相DPM模型建立了一种三维非稳态模型,对HAN基液体推进剂模拟工质在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内喷雾特性进行了数值模拟。模拟结果表明:增大液体喷射压力有助于细化雾化场液滴粒径和提高液滴运动速度;增大液体粘度恶化雾化效果;在相同的喷射条件下,小尺度模拟燃烧室内液滴粒径小于大气环境中,液滴轴向速度在两种喷射环境中相差较小。离心式喷嘴雾化场参数的数值模拟结果和实验结果吻合较好,说明所建立的模型可以对离心式喷嘴喷雾特性进行定量研究。 (8)在撞击式喷嘴实验基础上,采用DPM模型建立了一种二维非稳态模型,对HAN基液体推进剂模拟工质在大气环境中和小尺度模拟燃烧室内的喷雾特性进行了数值模拟。模拟结果表明:在大气环境中,撞击射流在撞击点后,形成了以撞击点为顶点的对称锥形雾化场分布,液相质量分数在空间呈现“梭形”分布;撞击角度越大,液滴群沿径向扩散范围越大,雾化场中心的小颗粒液滴也越多;液体工质粘度越大,液滴D32越大,而液滴vz越小。在小尺度模拟燃烧室内,受壁面限制,液相质量分数分布不像大气环境中那样的“长梭形”,而是扩张为“扇形”;撞击角度越大,液滴D32越小,液滴v=也越小。在相同的喷射压力下,大气环境中液滴D32和vz小于小尺度模拟燃烧室内。撞击式喷嘴雾化参数的数值模拟结果和实验结果具有较好的吻合性,说明采用该模型可以对撞击式喷嘴进行定量模拟。


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