幂律型煤油凝胶在不同几何构型管道的流动特性数值研究

为了优化煤油凝胶供给管道和锥形喷注器设计,构建出幂律流体的二维/三维稳态层流的求解方法,采用基于FLUENT平台的SIMPLE算法进行求解,开展煤油凝胶的流动特性数值研究。推导出了推进剂在直圆管中各参数的解析解以及层流的动能修正系数。研究结果表明：直圆管的柱塞流区域在管径不变时是固定的;为降低喷注器出口截面的平均表观粘度,需减小出口段长度;喷注器的收缩角选择在40°左右是较为合理的;弯管内存在双涡旋形式的二次流,且剪切速率和表观粘度的非对称性比速度的非对称性显著。为了优化煤油凝胶供给管道和锥形喷注器设计,构建出幂律流体的二维/三维稳态层流的求解方法,采用基于FLUENT平台的SIMPLE算法进行求解,开展煤油凝胶的流动特性数值研究。推导出了推进剂在直圆管中各参数的解析解以及层流的动能修正系数。研究结果表明：直圆管的柱塞流区域在管径不变时是固定的;为降低喷注器出口截面的平均表观粘度,需减小出口段长度;喷注器的收缩角选择在40°左右是较为合理的;弯管内存在双涡旋形式的二次流,且剪切速率和表观粘度的非对称性比速度的非对称性显著。     

超音速气流中煤油蒸发与掺混特性研究

数值模拟了超燃冲压发动机模型燃烧室中煤油在空气中的蒸发与掺混特性,分别计算了煤油温度、煤油液滴直径、雾化角等射流参数的影响;结果表明：煤油温度越高,雾化颗粒直径越小,则颗粒蒸发成气相所需的时间越短,相应的浓度就越高,雾化角的变化对蒸发和掺混的效果不明显;模拟结果对超燃冲压发动机煤油雾化和掺混设计具有一定的指导意义.     

横向射流液滴雾化研究现状分析

燃油在横向气流中的破碎、蒸发以及油气混合均匀性对污染物的生成、燃烧室性能以及燃烧不稳定性等均有重要影响。液滴的雾化程度直接关系到燃油的掺混和燃烧,进而影响发动机的性能。针对高速气流中横向射流雾化的特点,回顾了在高速气态横向流注入液体射流的特征文献,分析了液滴雾化的内部和外部影响因素及液滴二次雾化中的影响因素。研究了液滴在横向流中的雾化过程和机理。通过改善液滴雾化的参数特性可获得较高的雾化特性,有效拓宽横向射流液滴雾化的设计渠道,并指出横向脉冲射流的液滴雾化、射流迎风面表面波的产生机理研究等将成为未来主要研究方向。     

含碳颗粒的凝胶推进剂雾化特性实验研究

固体含能颗粒对提高凝胶推进剂的能量特性具有重要作用,是凝胶推进剂的重要组成部分。雾化问题是凝胶推进技术的关键问题之一,为了研究添加固体含能颗粒对凝胶推进剂雾化的影响,选择碳颗粒作为固体添加剂,开展了含碳颗粒凝胶推进剂雾化的实验研究。制备了3种不同含碳颗粒凝胶推进剂模拟液,并对它们的流变和触变特性进行了测量;分析了不同射流速度、不同撞击角度下的雾化场特点和形成机理,以及撞击速度对雾化模式,撞击角度对雾化场基本形状,碳颗粒质量分数、平均粒径等因素对模拟液流变特性和雾化效果的影响;提出了一种基于尺度不变特征变换关键点匹配的雾化场速度计算方法,定量分析了含碳颗粒凝胶推进剂的雾化场速度;以雾化场速度分析为基础提出了一种新的液膜厚度估算方法。研究结果表明：雾化效果随着射流速度和撞击角度的增大而显著改善;碳颗粒的添加对雾化效果有着重要影响,雾化效果随着碳颗粒质量分数的增大而降低,适当增大碳颗粒的粒径可以改善雾化效果;雾化场平均速度与射流速度的比值v_a/v_j可以用于表征雾化效果,v_a/v_j越小,能量转换效率越高,雾化效果越好。     

超临界环境两组分煤油替代物液滴的蒸发特性

为研究超临界环境下煤油液滴的蒸发特性,以质量分数为80%正癸烷和20%1,2,4-三甲基苯作为煤油替代物,利用全瞬态液滴蒸发模型进行仿真研究,只有环境压力和环境温度大于2～3倍组分的临界压力和临界温度时,液滴表面才能达到临界点。仿真结果表明：环境压力越高,蒸发速率和液滴表面温度的升温速率越大;相比于环境压力,环境温度的增大能极大地加快蒸发速率和液滴表面的升温速率,且当环境压力和环境温度较高时,两者对液滴在蒸发过程中所能达到的最大温度影响不大。     

RLPG拟射流破碎雾化特性实验与数值模拟

利用一种高速液体喷射装置,采用阴影和脉冲X射线成像技术,研究高压环境中高速液体射流的破碎雾化特性。建立了喷雾的颗粒轨道模型,进行了数值模拟计算,得到了喷雾的空间分布和气相流场的速度分布。在模型中,气相流场在欧拉坐标系中接单元控制体将方程积分,构造差分方程;液滴在拉格朗日坐标系中考虑其动量、质量的变化。     

时间与温度依赖的RP-1煤油凝胶本构方程建模

根据凝胶特殊的固-液形态,研究了无机和有机凝胶剂与RP-1煤油的成胶机理,通过Brookfield流变仪测量流变参数,并构建出煤油凝胶的非时间依赖、时间依赖和温度依赖的本构方程。结果表明:加入无水乙醇有利于凝胶剂A(一种干性油衍生物)对煤油的凝胶化;无机煤油凝胶的稠度系数k和凝胶剂含量Y_(amout)具有幂律函数关系;由于幂律指数n为负,制备的煤油凝胶比典型的剪切变稀流体(0n1)的稀化能力更强;无机和有机煤油凝胶的复凝性很弱且不受凝胶剂含量和类型的影响;随剪切速率的增大,凝胶从完整结构到完全破坏结构状态所需的时间缩短,中间过程曲线的振幅减小;随温度的增加,无机煤油凝胶的粘度先减小后增大,有机煤油凝胶的粘度逐渐减小并在90℃接近煤油的粘度。     

高速环形射流破碎雾化特性及动态喷雾模拟

在再生式液体发射药火炮(RLPG)中,液体射流破碎雾化过程影响到射流结构、液滴尺寸和速度分布等特性,是影响RLPG喷雾燃烧过程的关键因素之一.根据表面波破碎理论建立了RLPG环形喷孔高速液体薄膜破碎模型,并考虑了液滴的二次雾化过程.计算了液膜的破碎过程.计算结果表明,环形射流向喷嘴下游运动过程中内部空腔不断收缩,最终聚并成与圆柱形类似的射流向前运动,喷雾场前缘多为大颗粒液滴;在轴向某一固定位置,平均直径随时间逐渐减小并趋于一稳态值;在空间上平均直径随轴向距离的增加先减小后增大呈凹谷型分布.该模型的建立进一步完善了基于环形喷嘴的RLPG内弹道多维多相流数学模型.     

煤油燃料旋转爆轰波起爆与传播特性实验研究

为研究煤油燃料旋转爆轰波的起爆与传播特性,开展气体-液体两相旋转爆轰发动机实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室内径120 mm、外径153 mm、长240 mm,煤油为燃料、富氧空气为氧化剂,通过氢气/氧气微小型脉冲爆轰发动机进行点火;基于燃烧室内的高频压力,分析气体-液体两相旋转爆轰波的起爆过程、传播特性以及发动机的工作特性。实验结果表明：混合物的反应活性至关重要,当氧化剂中氧含量偏低时,混合物反应活性低,旋转爆轰波将无法起爆,直至氧含量增加到39.2%,才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波成功起爆后均以双波对撞模态传播,波速为815~ 920 m/s;在 贫油条件下,爆轰波传播速度随着当量比提高呈增加趋势;当空气质量流量大于822 g/s时, 发动机基本以缓燃形式工作。     

PDE点火室内凝胶汽油雾化特性的试验研究

为了研究凝胶汽油在脉冲爆轰发动机内的雾化特性,采用马尔文粒度仪测试了脉冲爆轰发动机点火室内雾化液滴的索太尔平均直径。为了降低爆轰管内雾化液滴粒径,设计了挡风凹腔结构。试验表明:在未加装挡风凹腔时,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化液滴索太尔平均直径越大; 挡风凹腔可有效改善空气供气压力对撞击式雾化的不利影响,在加装挡风凹腔后,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化后的液滴索太尔平均直径越小; 挡风凹腔结构尺寸越小,凝胶汽油雾化液滴索太尔平均直径越小。     

凝胶推进剂射流撞击雾化研究进展

凝胶推进剂是一种兼具传统液体/固体推进剂优点、具有良好发展前景的新型火箭推进剂,雾化问题是凝胶推进技术的关键问题之一,射流撞击雾化是凝胶推进剂的主要雾化形式。从实验、理论及数值模拟三个方面对凝胶推进剂射流撞击雾化问题发展现状进行了概述。分析表明:雾化实验可以定性分析流变特性及喷注参数等因素对雾化效果的影响,雾化理论对液膜形状及破碎特性的预测值与实验还存在一定误差,雾化数值模拟可以获得射流撞击雾化的典型变化过程。总体上看,凝胶推进剂雾化机理还未能完全揭示,未来工作有:建立凝胶推进剂雾化特性的定量表征方法、基于非牛顿本构关系和撞击式雾化发展新的雾化理论、根据雾化问题的特点改进现有数值计算方法等。     

含碳颗粒凝胶推进剂模拟液雾化研究（英）

制备了含质量分数5%平均粒径5 μm的碳颗粒的凝胶推进剂模拟液并研究了其雾化特性。测量了模拟液的流变特性,在射流速度10~22 m·s^-1、撞击角60°~90°、喷嘴直径0.5~1.5 mm及喷嘴长径比3.5~8条件下进行了雾化实验,利用线性稳定理论研究了其液膜破碎特性。结果表明,碳颗粒的添加导致凝胶模拟液的稠度系数增大、流动指数减小;在本文实验范围内,模拟液只能雾化形成液丝及大尺寸液滴,雾化效果随着射流速度、撞击角度的增加而改善,喷嘴长径比及喷嘴直径变化对雾化模式的影响很小;理论预测的液膜破碎长度与实验值之间存在14.9%~24%的误差,但线性稳定理论预测的液膜破碎长度变化趋势与实验吻合良好。     

航空煤油裂解气的高温自点火延迟特性

航空煤油是一种典型的吸热性碳氢燃料,燃料在进入燃烧室之前通过热裂解产生裂解产物而吸热,可在高速飞行器的热防护中起着重要作用。航空煤油及其裂解气的自点火延迟特性是冲压发动机设计的主要参数之一,也是验证燃烧反应机理的重要数据。本研究在化学激波管中,利用反射激波对航空煤油及其裂解气进行自点火,获得了点火温度在900~1820 K,压力为1.01×10^5Pa,当量比为1.0条件下RP-3航空煤油、裂解气及主要裂解成分氢气、甲烷、乙烯和乙烷的自点火延迟时间。点火延迟时间定义为反射激波到达测量点时引起的压力信号起跳到CH^*自由基信号大量出现时的时间间隔。实验结果表明,点火延迟时间随温度的升高明显缩短;在相同工况下,甲烷点火延迟时间最长,氢气最短,裂解气的点火延迟时间比航空煤油略长;裂解气活化能接近于航空煤油的活化能,都在180 kJ·mol^-1左右,单组分中的氢气点火活化能最低,为127.8 kJ·mol^-1。实验结果与相应的燃烧动力学机理模拟结果进行了对比,机理能很好预测温度对点火延迟时间的影响规律。对机理进行了敏感度分析,得到了影响燃料点火的主要基元反应。     

气相色谱-质谱法分析火箭煤油组成的再研究及火箭煤油蒸汽的组成分析

在已有研究的基础上,采用气相色谱-质谱法对火箭煤油的组成进行再研究.在优选的分析条件下,火箭煤油共检测出171个峰,对其中的141种化合物进行了鉴别;火箭煤油蒸汽共检测出79个峰,对其中的57种化合物进行了鉴别,采用峰面积归一化法确定各组分的相对含量.结果表明,鉴定出的组分占火箭煤油总量的87.69%,占火箭煤油蒸汽总...     

高触变性高密度凝胶碳氢燃料的制备及性能

采用有机凝胶剂(Gn)和气相二氧化硅(SiO_2)分别与HD-01、HD-03、HD-03-I、QC四种纯液体高密度燃料制备了相应的凝胶碳氢燃料,研究了所需凝胶剂Gn和SiO_2的最小添加量,测定了凝胶碳氢燃料的密度、黏度、热值等基础物理性质。考察了其热稳定性、离心稳定性、长期存储挥发性等稳定性能,以及流变性能。结果表明,至少添加6%SiO_2才能使纯液体高密度燃料形成凝胶碳氢燃料,而Gn最小添加量不大于1%,且Gn对燃料本身的密度和热值几乎没有影响;Gn凝胶碳氢燃料在-40℃低温保存、长期室温存储或高速离心后无液体渗出现象;Gn凝胶碳氢燃料的黏度随剪切速率增加而明显下降,接近纯液体燃料黏度;通过扫描电镜发现Gn凝胶剂在燃料中可自组装形成三维纤维网状结构,搅拌或高温(150℃)可破坏该结构,静置或降温又可恢复,使得Gn凝胶碳氢燃料具有明显优于SiO_2凝胶燃料的流变性和触变性,更利于管道运输和雾化。     

含纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料理化及流变性能

为了提高液体燃料能量并解决纳米金属颗粒在燃料中沉降的问题,研究以有机小分子凝胶剂(LMWG)为凝胶因子,制备了含有纳米铝颗粒的JP-10凝胶燃料,测定了最低凝胶剂含量和凝胶相转变温度,探讨了凝胶剂含量和纳米铝颗粒含量对燃料密度、黏度、离心稳定性等物理化学性能的影响,通过剪切变稀测试、触变性测试、应变扫描、频率扫描等测试了凝胶燃料的流变性能。结果表明,纳米铝颗粒在LMWG/JP-10凝胶燃料中稳定分散,同时凝胶燃料可以在施加剪切力或加热的条件下实现凝胶态与液态的相互转变;铝颗粒的加入显著提高了燃料的密度、体积热值和黏度,当纳米铝颗粒含量为25%时,2%LMWG/JP-10的密度为1.156 g·mL^-1,剪切黏度为840 mPa·s,体积热值为45.8 MJ·L^-1。铝颗粒含量少于25%时会影响凝胶体系的稳定性,但当铝颗粒含量达到25%时,体系的稳定性超过同等LMWG凝胶剂含量的纯燃料。铝颗粒的加入显著增强凝胶体系的机械强度和结构稳定性,但燃料依旧保持良好的剪切变稀特性,并且无法恢复至受剪切作用前的状态。