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。     

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。     

射流偏心撞击对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验研究

为研究射流偏心撞击对凝胶撞击雾化的影响,建立撞击雾化实验台,制备凝胶推进剂及其模拟液,对单股射流形态及不同偏心度下的撞击液膜和液滴尺寸分布进行测量。理论推导了偏心撞击下撞击液膜偏角,并与实验结果进行了对比。研究表明：随着喷射速度的增大,单股射流受到的扰动逐渐增大;在靠近喷注器出口处扰动有限,不同速度下的射流变形都很小;不同偏心度下液膜发展和破碎形式基本相同,当偏心度达到1.5/6时,液膜自撞击点开始出现了呈一定角度较为暗淡的区域,流量不对称性增强;随着偏心度的增大,液膜偏角逐渐增大,但与理论值相比偏小;偏心度的大小对撞击雾化的液滴尺寸分布影响较小,但偏心撞击的索特平均直径值比无偏心时小,并在0.5/6达到最小值。     

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。     

不等径开放式撞击流雾化特征及二乙二醇/水体系混合研究

采用粒子图像测速技术(PIV)对不等径开放式撞击流中质量分数60%的甘油-水溶液雾化性能进行了研究,探讨韦伯数We(51≤We≤1605)、入射速度u(2.12 m·s^-1≤u≤6.37m·s^-1)、喷嘴直径(喷嘴1:左侧喷嘴直径(D₁)=1.5 mm,右侧喷嘴直径(D₂)=2 mm;喷嘴2:D₁=2 mm,D₂=3 mm)对液膜破碎特征及液滴行为的影响,并对复合含能材料粘结剂溶剂二乙二醇与水混合过程的液滴分布进行了研究。结果表明:随着We增大,液膜破碎长度先增大,当液膜破碎模式到达无边缘模式后减小,且液膜厚度与液滴直径逐步减小,液滴速度逐步增大;随喷嘴直径增大,液膜破碎模式变化不显著,液膜破碎长度、厚度、液滴直径均增大,液滴速度则逐步减小。同时,拟合得到液膜破碎长度、液膜厚度、液滴索特平均直径D[3,2]与喷嘴直径、韦伯数间的经验关联式,采用二乙二醇与水体系验证后发现,随入射速度增大,二乙二醇与水撞击混合后液滴直径减小,分布变窄,D[3,2]数值在经验关...     

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.     

大气环境中双股自击式喷嘴雾化液滴的运动特性

为了研究大气环境中双股自击式喷嘴雾化液滴的运动特性,设计了双股自击式射流喷雾实验装置,运用多普勒相位粒子动态分析仪(PDPA),观测了喷嘴压降对于雾化液滴运动特性的影响,着重分析了液滴轴向速度和径向速度的分布。结果表明:随着测量截面与喷嘴间的距离由25mm增到100mm,液滴平均直径(D30)变大:当喷嘴压降为2.2MPa,D30由44.26 m增大到61.26 m,当喷嘴压降为2.6MPa,D30由42.88 m增大到55.49 m;距离喷嘴越远,液滴轴向速度和径向速度越小;测量点距离中心轴越远,液滴轴向速度越小,径向速度脉动越大;喷嘴压降增大,液滴平均直径减小,液滴轴向速度分布均匀性变好,径向速度分布均匀性变差。     

喷嘴结构对含能液体雾化性能的影响

针对含能液体的特点，用不稳定波理论，建立了射流破碎的简化模型，模型中考虑了射流初始破碎、液滴之间的碰撞聚合和破碎。经过数值计算，得到了不同喷嘴结构条件下，HY911射流雾化液滴的Sauter平均直径分布并与实验结果进行了分析比较。     

射流电沉积Ni-SiC纳米镀层的腐蚀行为研究

为提高Ni-SiC纳米镀层的耐腐蚀性能,采用射流电沉积方法,在Q235钢基体表面制备Ni-SiC纳米镀层。利用FLUENT软件仿真不同喷嘴直径对喷射镀液的速度和动能参数影响,采用扫描电子显微镜、透射电镜、X射线衍射仪和电化学工作站对不同喷嘴直径下喷射电沉积制备Ni-SiC纳米镀层的表面形貌、显微组织、腐蚀行为进行研究。当喷嘴直径为8 mm时,喷射电沉积过程镀液的射流速度和动能较其他喷嘴直径下的大,最大射流速度和动能分别为113 m/s和543 J。此参数下制备的Ni-SiC纳米镀层具有致密、均匀的表面结构,大量SiC纳米颗粒嵌入Ni-SiC纳米镀层,Ni和SiC的平均粒径分别为342 nm和73 nm。结果表明:喷嘴直径对Ni-SiC纳米镀层的腐蚀性能影响较大;当喷嘴直径为8 mm时,Ni-SiC纳米镀层具有最佳的耐腐蚀性能。适宜的喷嘴直径,可提高镀液喷射速率和动能,从而提高Ni-SiC纳米镀层的耐腐蚀性能,得到的Ni-SiC纳米镀层与其他镀层相比组织结构更致密、均匀。     

凝胶汽油双股撞击式雾化速度场实验研究

为研究凝胶剂含量、撞击角以及喷射压力等参数对凝胶汽油双股撞击式雾化速度场的影响,实验室制备了凝胶剂含量分别为4%和5%的QNJ-4、QNJ-5凝胶汽油样品。利用旋转式流变仪分别对QNJ-4、QNJ-5凝胶汽油的表观粘度进行了测量,并拟合了反映其表观粘度变化的幂率公式。采用粒子图像速度仪测量了撞击角θ分别为60°、75°、90°、105°和120°,喷射压力p为0.5 MPa、 0.75 MPa、1.0 MPa和1.25 MPa条件下双股撞击式雾化流场的速度分布。结果表明：凝胶剂含量越高,反映凝胶汽油表观粘度变化的幂率公式中,粘度系数k越大,流动指数n越小;凝胶剂含量越高,凝胶汽油撞击雾化后的液滴速度越小;在撞击点下游,中心轴线上的液滴速度v_l沿轴线呈总体下降的趋势,但由于撞击点产生的不稳定波的作用,液滴速度v_l会出现波动;随着撞击角的不断增大,凝胶液滴的核心速度v_c不断减小,但在撞击角为105°会出现暂时增大;随着喷射压力的增大,凝胶汽油雾化后的核心速度v_c不断增大,但增大幅度越来越小。     

双喷嘴气动喷撒烟幕粒子的撞击成烟特性研究

为改善气动喷撒时烟幕的分散效果,采用自行设计的气动喷撒装置,对铜粉基烟幕粒子的撞击成烟特性进行了实验研究。结果表明,相对于单喷嘴,双喷嘴喷撒时烟幕平均扩散速度降低了39%,烟幕扩张角增大了160%;当喷嘴间角度为150°、120°、90°和60°时,对应的烟幕平均扩散速度分别为0.5m/s、0.8m/s、1.1m/s和1.6m/s,烟幕扩张角为60.2°、57.4°、45.8°和44.3°。随着喷嘴间角度的减小,烟幕平均扩散速度逐渐增大,烟幕扩张角逐渐减小;持续喷撒一定时间,烟幕最大面密度随喷嘴间角度的减小逐渐减小,烟幕遮蔽效能变差。     

喷嘴特性对水冲压发动机性能的影响

为研究燃烧室喷嘴特性对两次进水水冲压发动机比冲性能的影响规律,建立了发动机补燃室两相反应模型,通过地面直连试验验证了模型的合理性;对不同一次喷嘴雾化锥角、喷射速度下的镁基水冲压发动机内部燃烧组织进行了数值模拟,结果表明,一次喷嘴雾化锥角在110°附近时,发动机比冲效率最优;一次喷嘴喷射速度在38.4～50 m/s时,发动机比冲效率最优.     

液体工质喷雾特性的测量与分析

借助粒子动态分析仪PDA系统,开展了HAN基液体推进剂模拟工质喷雾特性的试验研究,分别观测了单孔圆柱形射流和双孔对撞射流在大气中的雾化特性,研究了喷射压力、喷孔直径及喷射模式对雾化性能的影响,定量测试了喷雾场轴向、径向雾化液滴的索特平均直径D_(32)和液滴速度v.结果表明,对撞射流与单股圆柱形射流相比,在喷雾场中下游空间里雾化液滴均匀度较高,液滴D_(32)和速度v易达到稳定.     

对撞式喷嘴在大气环境中喷雾实验与数值模拟

为了研究对撞式喷嘴在大气环境中的喷雾特性,设计了对撞式喷嘴喷雾实验装置。采用相位多普勒粒子动态分析仪（ PDA）,测量了不同工况下含能液体模拟工质雾化场液滴的特征参数,获得了不同喷射压力下液滴索特尔平均直径D32的分布规律以及喷雾场液滴轴向速度vz 沿轴向和径向的分布规律。在实验基础上,建立喷雾场二维非稳态简化模型,气相采用k－ε湍流模型,液滴破碎采用泰勒类比破碎模型。结果表明：喷雾场从起始到统计稳定的发展过程约需15 ms,液滴索特尔平均直径D32的分布规律、轴向速度的计算值与实验结果基本吻合。     

喷嘴直径对等离子射流扩展特性的影响

基于脉冲等离子体的电热化学发射是一种新概念超高速发射技术,脉冲等离子射流的喷嘴直径对其扩展特性影响较大。为研究喷嘴直径的变化所带来的影响,建立了等离子射流在大气中扩展的非稳态二维轴对称模型,根据等离子射流在大气中扩展的特点设计了计算区域,并对计算域进行了网格无关性验证。选用Fluent软件对等离子射流自由喷射进行了数值模拟,设计了等离子发生器并开展了实验研究,验证了模型的合理性。针对5 mm、6 mm、7 mm三种喷嘴直径,数值分析了等离子射流扩展特性及特征参数变化规律。结果表明：等离子射流在大气中扩展时,喷嘴附近流场参数变化比较剧烈,后期随着喷射时间的推移逐渐衰减;喷嘴直径越大,Taylor空腔的扩展能力越强,初期主要表现在径向扩展,而后期主要表现在轴向扩展;同时扩展过程中压力呈现高低压相间分布的规律,等离子射流与空气的掺混现象也在增强,等离子体射流的Taylor空腔破碎加剧,说明等离子射流扩展稳定性随着喷嘴直径的增大受到了影响。     

磨料水射流喷嘴内流场数值模拟

在前混合磨料水射流（AWJ）中添加聚丙烯酰胺溶液后,可进一步提高多相流动力学特性,从而提高AWJ排除爆炸物作业效率、减少喷嘴磨损,对于利用该技术进行爆炸物切割、钻孔等作业具有重要意义。基于Cross方程对磨料浆体射流（ASJ）喷嘴内多相流进行数值模拟,经实验数据对比可知该方法可以相对准确描述ASJ的动力学特性。利用数值模拟结果对多相流的动力学特性进行分析,通过与AWJ对比得出ASJ可减少喷嘴内阻力,提高射流速度和射流集束性,降低核心区内多相流湍流强度,使磨料颗粒分布更加均匀的作用。     

再生式液体发射药火炮喷嘴内空化流动研究

为研究再生式液体发射药火炮喷嘴内部空化效应对射流雾化的影响,针对常用喷嘴结构建立了Euler多相流模型和空化模型,研究了喷嘴内部的空化流动现象,分析了喷嘴结构形式、内部倾斜角和喷射压力对喷嘴内部空化流动与喷嘴出口流动状态的影响规律。结果表明:RNG k-ε湍流模型比k-ε湍流模型更适于分析喷嘴内的空化流动现象; 圆柱形和圆锥形喷嘴内部均发生空化流动现象; 增大圆锥形喷嘴倾角导致空化增强,气液掺混区域变大,但流动速度受阻; 大于10 MPa的喷射压力有利于形成稳定的空化流动。研究结果为优化喷嘴结构设计提供了理论依据,为进一步研究射流在燃烧室内的破碎、雾化、蒸发和燃烧过程提供了上游边界条件。     

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.     

铝球超高速撞击防护屏的数值模拟研究

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究,将计算结果同相应的实验结果进行了比较,二者符合得很好.说明SPH方法能够较好地处理超高速撞击问题,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性.在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料强度模型等因素对防护屏穿孔直径和碎片云长径比的影响规律,并以防护屏穿孔直径和碎片云长径比为指标,应用正交设计方法分析研究了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径3因素对指标的影响主次关系.研究表明:铝球直径是影响防护屏穿孔直径的主要因素,防护屏厚度是影响碎片云长径比的主要因素.     

喷射压力变化对脉冲等离子射流扩展特性的影响

为分析喷射压力变化对脉冲等离子射流扩展特性的影响,建立脉冲等离子射流在空气中扩展的二维轴对称非稳态模型,并进行数值模拟。研究了1.5~3.5 MPa喷射压力范围内,脉冲等离子射流在空气中扩展时的两相界面演化特性及流场参数变化规律,并与实验结果进行对比。研究结果表明：脉冲等离子射流的轴向扩展位移模拟值与实验值较为吻合;喷嘴出口处,射流场参数骤变,近场处参数变化较为剧烈,后期逐渐衰减至环境参数;喷射压力增大时,脉冲等离子射流的扩展体积、马赫盘大小及压力等流场参数均随之增大,扩展过程中的湍流掺混现象也随之增强,表现为等离子体与空气两相界面破碎加剧;喷射压力减小到1 MPa时,喷嘴近场无马赫盘出现。