液-液同軸旋轉(zhuǎn)射流穩(wěn)定性及液膜破碎機理研究.pdf

1、雙組元液體火箭發(fā)動機是航天運載系統(tǒng)中的主要動力，是航天發(fā)展的基礎(chǔ)與核心。在雙組元液體火箭發(fā)動機中，液體燃料和氧化劑的霧化、蒸發(fā)和混合過程，其均勻性和效率直接影響燃燒的穩(wěn)定性和燃燒效率，進而影響發(fā)動機的工作效率和穩(wěn)定性。因此研究噴注單元的霧化特性和推進劑霧化機理對發(fā)動機的設(shè)計具有重要意義。液/液同軸離心式噴嘴由于其霧化效率高，霧化效果好而得到廣泛應(yīng)用。本文以液/液同軸離心式噴嘴產(chǎn)生的液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流為研究對象，針對其射流形態(tài)、液膜破碎特

2、性、射流穩(wěn)定性、近噴嘴區(qū)表面波特性及流場特性等展開深入研究，系統(tǒng)深入地對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流液膜的破碎機理進行揭示，為雙組元液體火箭發(fā)動機噴注器及燃燒室的設(shè)計提供理論支持。
　　采用實驗方法對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流的形態(tài)及液膜破碎特性進行研究。建立了液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流實驗臺，其中包括臺架、擠壓式液體供應(yīng)系統(tǒng)、液/液同軸離心式噴嘴以及光學(xué)拍攝系統(tǒng)和粒度測量系統(tǒng)等。基于噴霧圖像分析了液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流破碎過程，對不同噴射參數(shù)下液/液同軸旋轉(zhuǎn)

3、射流形態(tài)進行了分析。研究了內(nèi)、外路噴射參數(shù)對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流液膜破碎特性的影響規(guī)律，揭示了射流噴射We數(shù)對液膜破碎特性的影響機制;劃分了不同噴射參數(shù)下的射流初次破碎區(qū)、二次破碎區(qū)及碰撞聚合區(qū)，揭示了沿射流軸向方向不同區(qū)域的液滴分布規(guī)律。
　　針對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流液膜碰撞后形成的雙層液體圓環(huán)旋轉(zhuǎn)射流，基于線性穩(wěn)定性理論，建立描述其表面波穩(wěn)定性的色散方程，基于Muller方法對時間模式下的色散方程進行了數(shù)值求解，并對色散方程進行驗

4、證分析。研究了近反對稱波形和近對稱波形的擾動對射流穩(wěn)定性的影響，明確了對液膜的破碎過程起到支配作用的為近反對稱波形的擾動。對不同角向模數(shù)下的擾動增長率的變化情況進行了分析，表明射流破碎是不同模式的擾動共同作用下的結(jié)果。分析了液/液同軸圓環(huán)旋轉(zhuǎn)射流各無量綱參數(shù)對射流支配擾動增長率和支配擾動波數(shù)的影響規(guī)律，揭示了液體旋轉(zhuǎn)強度、液體流速比、氣液密度比、表面張力及液膜曲率對射流穩(wěn)定性的影響機制。
　　基于大渦模擬方法和VOF方法，在Ope

5、nFOAM中實現(xiàn)了液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流氣液兩相流大渦模擬求解器的開發(fā)。在求解器中耦合了自適應(yīng)網(wǎng)格方法，并對氣液兩相流大渦模擬求解器在集群工作站上進行了編譯，實現(xiàn)了集群多節(jié)點間的并行計算，為液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流破碎機理的數(shù)值模擬研究提供了有力工具。采用氣液兩相流大渦模擬求解器對液/液同軸離心式噴嘴內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，基于模擬結(jié)果對液/液同軸離心式噴嘴內(nèi)部流場特性進行了研究，揭示了噴嘴內(nèi)不同區(qū)域液體速度的變化規(guī)律;明確了噴射壓力對噴嘴內(nèi)液體

6、分布、噴嘴出口液膜厚度、噴嘴出口速度分布等特性的影響規(guī)律，闡明了噴嘴出口速度對液膜錐角的影響機制。
　　采用氣液兩相流大渦模擬求解器對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流液膜破碎過程進行數(shù)值模擬，得到了液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流噴束結(jié)構(gòu)及流場信息。對液/液同軸旋轉(zhuǎn)射流破碎形態(tài)進行了分析，包括射流整體噴霧形態(tài)及近噴嘴區(qū)的液膜形態(tài);分析了射流表面速度分布及速度場特性，揭示了旋轉(zhuǎn)射流回流區(qū)形成機制及氣液間相互作用對射流破碎特性的影響機制;分析了近噴嘴區(qū)域液膜表面