本文關(guān)鍵詞：三氧化二鋁液滴碰撞機(jī)理及模型研究

  更多相關(guān)文章： 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 三氧化二鋁 液滴碰撞 碰撞模型 自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)

【摘要】：液滴碰撞作為一種常見(jiàn)的液態(tài)流體流動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)的液體燃料霧化過(guò)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(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒、流動(dòng)等多物理過(guò)程中的一項(xiàng)，其結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生影響。為全面掌握發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)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(duì)正十四烷煤油液滴開(kāi)展了二維軸對(duì)稱(chēng)對(duì)心碰撞和三維偏心碰撞的數(shù)值模擬，取得了與實(shí)驗(yàn)基本相同的液滴碰撞變形過(guò)程及結(jié)果類(lèi)型，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)等尺寸三氧化二鋁液滴對(duì)心和偏心碰撞的數(shù)值研究，獲得了碰撞結(jié)果類(lèi)型的區(qū)域分布We-B圖，并揭示了各結(jié)果類(lèi)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(duì)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種因素及推進(jìn)劑燃燒溫度對(duì)碰撞結(jié)果的影響規(guī)律。利用數(shù)值計(jì)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(guò)本文研究，得到的主要結(jié)論如下： （1）等尺寸三氧化二鋁液滴碰撞在計(jì)算參數(shù)D0=10μm, Oh=0.1151, We=1~800,B=0.1~0.7條件下，數(shù)值計(jì)算獲得了液滴反彈（II）、大變形后聚合（III）、自反分離后無(wú)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)果類(lèi)型。由于未考慮稀薄氣體流動(dòng)及范德華力模型等，因此無(wú)法獲得微小變形后聚合（I）。對(duì)心碰撞條件下，結(jié)果類(lèi)型（II）、（III）、（IV）、（V）、（VI）之間的臨界We數(shù)分別為40、239、318、355。在We355條件下，對(duì)心碰撞后均發(fā)生自反分離并產(chǎn)生子液滴；在355We 500條件下，液滴分離的物理機(jī)理為末端夾斷機(jī)制，分離后三個(gè)液滴尺寸相近；當(dāng)We600時(shí)，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(gè)尺寸不同的小液滴。偏心碰撞在B=0.1,0.3,0.4,0.5條件下，結(jié)果類(lèi)型（III）與（IV）或（VII）之間的臨界We數(shù)分別為307,224,94,59。通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程的液滴形變和能量變化分析，揭示了各碰撞結(jié)果類(lèi)型的基本過(guò)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(shí)，，Oh=0.1151、0.0364、0.0257，對(duì)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、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(dòng)，破碎更易發(fā)生。對(duì)于等尺寸液滴碰撞，Oh數(shù)控制液滴碰撞結(jié)果類(lèi)型區(qū)域分布的We-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(guò)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(cè)模型可以用于預(yù)測(cè)等尺寸三氧化二鋁液滴對(duì)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(duì)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(guò)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(dòng)。 （4）100μm等尺寸三氧化二鋁液滴，在環(huán)境壓強(qiáng)為3、6、9MPa條件下，對(duì)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(duì)液滴碰撞變形過(guò)程及反彈臨界We數(shù)基本沒(méi)有影響。在不同壓強(qiáng)范圍內(nèi)，液滴自反分離和拉伸分離均基本不受環(huán)境壓強(qiáng)變化的影響。 （5）基于三氧化二鋁液滴不同碰撞結(jié)果類(lèi)型的物理機(jī)理，經(jīng)過(guò)碰撞過(guò)程中的能量及變形的理論分析，考慮粘性耗散，結(jié)合本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果，建立了三氧化二鋁液滴碰撞模型，包括微小變形后聚合模型、反彈模型、自反分離模型、拉伸分離模型以及分離后液滴參數(shù)計(jì)算模型。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V435.1

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 強(qiáng)洪夫;陳福振;高巍然;;基于SPH方法的低韋伯?dāng)?shù)下三維液滴碰撞聚合與反彈數(shù)值模擬研究[J];工程力學(xué);2012年02期

2 張明信,魏建維,王曉霞,王國(guó)志,王淑巖,豐善;固體推進(jìn)劑燃燒中凝相粒子的激光全息測(cè)試[J];固體火箭技術(shù);2000年01期

3 張宏安,葉定友,侯曉,高波;含鋁復(fù)合推進(jìn)劑燃燒場(chǎng)凝相微粒分布實(shí)驗(yàn)研究[J];固體火箭技術(shù);2001年01期

4 何國(guó)強(qiáng),王國(guó)輝,蔡體敏,劉佩進(jìn),阮崇智,利鳳祥,王富春;高過(guò)載條件下固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)及絕熱層沖蝕研究[J];固體火箭技術(shù);2001年04期

5 王書(shū)賢,陳林泉,劉霓生;飛行加速度對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)后封頭絕熱層燒蝕的影響[J];固體火箭技術(shù);2003年02期

6 李江;婁永春;劉洋;王希亮;陳劍;;聚集狀態(tài)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒粒度分布的影響[J];固體火箭技術(shù);2005年04期

7 李江;劉佩進(jìn);陳劍;婁永春;劉洋;王希亮;;沖蝕條件下炭布橡膠絕熱層燒蝕實(shí)驗(yàn)與計(jì)算[J];固體火箭技術(shù);2006年02期

8 劉佩進(jìn);白俊華;楊向明;趙智博;;固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凝相粒子的收集與分析[J];固體火箭技術(shù);2008年05期

9 李強(qiáng);甘曉松;劉佩進(jìn);李江;何國(guó)強(qiáng);;大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)潛入式噴管背壁區(qū)域熔渣沉積數(shù)值模擬[J];固體火箭技術(shù);2010年02期

10 張勝敏;胡春波;徐義華;陳劍;;固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凝相顆粒燃燒特性分析[J];固體火箭技術(shù);2010年03期

本文編號(hào)：1236454