三氧化二鋁液滴碰撞機(jī)理及模型研究.pdf

1、液滴碰撞作為一種常見的液態(tài)流體流動現(xiàn)象，普遍存在于自然及現(xiàn)代科技工業(yè)界，如降雨、瀑布、內(nèi)燃機(jī)和航空發(fā)動機(jī)內(nèi)的液體燃料霧化過程等。三氧化二鋁液滴碰撞作為含鋁復(fù)合推進(jìn)劑固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒、流動等多物理過程中的一項，其結(jié)果對發(fā)動機(jī)內(nèi)絕熱層防護(hù)、噴管燒蝕、潛入噴管背壁區(qū)熔渣沉積以及燃燒穩(wěn)定性等都會產(chǎn)生影響。為全面掌握發(fā)動機(jī)內(nèi)流場的物理信息，保障其安全、穩(wěn)定及高效地工作，揭示三氧化二鋁液滴碰撞規(guī)律并建立碰撞模型就顯得十分必要。
　　本文采

2、用基于 VOF界面追蹤法及自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的直接數(shù)值模擬方法，首先針對正十四烷煤油液滴開展了二維軸對稱對心碰撞和三維偏心碰撞的數(shù)值模擬，取得了與實驗基本相同的液滴碰撞變形過程及結(jié)果類型，驗證了數(shù)值計算方法的可行性和準(zhǔn)確性。通過對等尺寸三氧化二鋁液滴對心和偏心碰撞的數(shù)值研究，獲得了碰撞結(jié)果類型的區(qū)域分布We-B圖，并揭示了各結(jié)果類型的形成條件和物理機(jī)理。數(shù)值研究了液滴尺寸、尺寸比及環(huán)境壓強(qiáng)對三氧化二鋁液滴碰撞結(jié)果的影響，結(jié)合理論分析獲得了三

3、種因素及推進(jìn)劑燃燒溫度對碰撞結(jié)果的影響規(guī)律。利用數(shù)值計算結(jié)果，基于碰撞物理機(jī)理，建立了三氧化二鋁液滴的碰撞模型。通過本文研究，得到的主要結(jié)論如下：
　?。?）等尺寸三氧化二鋁液滴碰撞在計算參數(shù)D0=10μm，Oh=0.1151，We=1~800，B=0.1~0.7條件下，數(shù)值計算獲得了液滴反彈（II）、大變形后聚合（III）、自反分離后無子液滴（IV）、自反拉伸聚合（V）、自反分離后產(chǎn)生子液滴（VI）以及拉伸分離（VII）等六種結(jié)

4、果類型。由于未考慮稀薄氣體流動及范德華力模型等，因此無法獲得微小變形后聚合（I）。對心碰撞條件下，結(jié)果類型（II）、（III）、（IV）、（V）、（VI）之間的臨界We數(shù)分別為40、239、318、355。在We>355條件下，對心碰撞后均發(fā)生自反分離并產(chǎn)生子液滴；在355600時，液滴分離的物理機(jī)理則為毛細(xì)不穩(wěn)定機(jī)制，產(chǎn)生多個尺寸不同的小液滴。偏心

5、碰撞在B=0.1,0.3,0.4,0.5條件下，結(jié)果類型（III）與（IV）或（VII）之間的臨界We數(shù)分別為307,224,94,59。通過對碰撞過程的液滴形變和能量變化分析，揭示了各碰撞結(jié)果類型的基本過程及物理機(jī)理。
　　（2）等尺寸三氧化二鋁液滴直徑D0=10μm、100μm、200μm時，Oh=0.1151、0.0364、0.0257，對心碰撞的反彈臨界We數(shù)分別為40、26、21，自反分離的臨界We數(shù)分別為239、45、

6、34。液滴尺寸和推進(jìn)劑燃燒溫度變化主要影響液滴碰撞的Oh數(shù)。隨著液滴尺寸減小，Oh數(shù)增大，反彈及自反分離的臨界We數(shù)均逐漸增大，反彈區(qū)域略有增加，聚合區(qū)域則明顯擴(kuò)大，自反分離需在高We數(shù)下才能發(fā)生。而隨著推進(jìn)劑溫度的升高，Oh數(shù)逐漸減小，且減小的速率也逐漸變小，反彈和自反分離的臨界We數(shù)均減小，反彈區(qū)域逐漸變小，聚合區(qū)域大幅縮小，自反分離區(qū)域逐漸向低We數(shù)移動，破碎更易發(fā)生。對于等尺寸液滴碰撞，Oh數(shù)控制液滴碰撞結(jié)果類型區(qū)域分布的We-

7、B圖，控制臨界We數(shù)大小，而We和B則共同控制液滴碰撞具體變形過程及結(jié)果，Oh數(shù)可作為等尺寸液滴碰撞規(guī)律研究的相似性準(zhǔn)則參數(shù)。Gotaas等人[110]的自反分離臨界We數(shù)預(yù)測模型可以用于預(yù)測等尺寸三氧化二鋁液滴對心碰撞的自反分離臨界We數(shù)。
　　（3）液滴尺寸比γ=1、2、3，小液滴直徑為10μm，三氧化二鋁液滴對心碰撞反彈臨界We數(shù)分別為40、26、25，自反分離的臨界We數(shù)分別為239、267、390。非等尺寸液滴碰撞變形過

8、程明顯不同于等尺寸液滴碰撞。隨著尺寸比γ的增大，液滴尺寸差異變大，反彈區(qū)域縮小，聚合區(qū)域明顯擴(kuò)大，自反分離區(qū)域向高We數(shù)移動。
　?。?）100μm等尺寸三氧化二鋁液滴，在環(huán)境壓強(qiáng)為3、6、9 MPa條件下，對心碰撞的反彈臨界We數(shù)分別為28、26、26，自反分離臨界We數(shù)分別為48、45、45。低壓狀態(tài)下（≤11.7atm），隨著環(huán)境壓強(qiáng)升高，液滴反彈臨界 We數(shù)逐漸增大。高壓狀態(tài)下（≥3MPa），壓強(qiáng)變化對液滴碰撞變形過程及反