液體工質(zhì)在小尺度空間噴霧特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、飛船、動(dòng)能攔截器、衛(wèi)星、多級(jí)運(yùn)載器之中，其作用主要是軌道修正、姿態(tài)控制、航天器的對(duì)接和交會(huì)、著陸等，是現(xiàn)代空間飛行器中不可缺少的組成部分。而正確地組織燃料在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的霧化燃燒過程，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、工作壽命、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有重要的意義。本文以小尺度液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為背景，針對(duì)HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)，設(shè)計(jì)了三種噴嘴結(jié)構(gòu):離心式噴嘴，撞擊式噴嘴和空氣霧化噴嘴，就其在大氣環(huán)境中和小

2、尺度模擬燃燒室內(nèi)的噴射噴霧特性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)采用高速錄像系統(tǒng)對(duì)離心式噴嘴的噴霧錐角特性進(jìn)行了定量測試。結(jié)果表明:不同結(jié)構(gòu)的離心式噴嘴，其噴霧錐角均隨著噴射壓力的升高而增加;雙旋流槽離心式噴嘴，其噴霧錐角隨HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)粘度的增加先增大后減小;四旋流槽離心式噴嘴，其噴霧錐角隨液體工質(zhì)粘度的增加而線性減小;在相同的噴射壓力和液體工質(zhì)粘度條件下，噴嘴出口直徑越大，噴霧錐角越

3、大。
　　(2)采用粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)離心式噴嘴在大氣環(huán)境中和小尺度模擬燃燒室內(nèi)霧化參數(shù)的分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。結(jié)果表明:對(duì)于不同噴口直徑的離心式噴嘴，HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)霧化場液滴索特爾平均直徑D32均隨著噴射壓力的升高而減小;在相同的噴射壓力下，噴口直徑越小，液滴粒徑D32越小;對(duì)于噴口直徑Du=1mm的離心式噴嘴，霧化場液滴軸向速度vz沿軸向先減小后基本不變;對(duì)于噴口直徑Du=2mm的離心式噴嘴，霧化

4、場液滴軸向速度vz沿軸向先增大后減小。
　　(3)采用PDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)撞擊式噴嘴在大氣環(huán)境中和小尺度模擬燃燒室內(nèi)霧化參數(shù)的分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。結(jié)果表明:HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)霧化場液滴算術(shù)平均直徑D10和索特爾平均直徑D32沿軸向逐漸增加，而液滴vz沿軸向逐漸減小;噴射壓力越大，液滴平均直徑越小;在0.8～1.8MPa范圍內(nèi)，液滴軸向速度vz隨噴射壓力升高而增大;在1.8～2.6MPa范圍內(nèi)，液滴vz變化較小。在相同的噴射

5、壓力條件下，液體模擬工質(zhì)粘度越大，液滴D10、D32值越大，而液滴軸向速度vz值越小。此外，在相同的噴射壓力和液體模擬工質(zhì)粘度條件下，小尺度模擬燃燒室內(nèi)霧化場液滴平均直徑和軸向速度軸均大于大氣環(huán)境中的值。
　　(4)采用PDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)空氣霧化噴嘴在大氣環(huán)境中和小尺度模擬燃燒室內(nèi)霧化參數(shù)的分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。結(jié)果表明:HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)霧化場液滴平均直徑D10和D32沿軸向波動(dòng)增加，液滴軸向速度vz沿軸向是逐漸減小的;

6、當(dāng)液體噴射壓力不變時(shí)，氣體噴射壓力越高，液滴D10、D32值越小，液滴vz越大;當(dāng)氣體噴射壓力不變時(shí)，液體噴射壓力越大，液滴D10、D32值越大，而液體噴射壓力對(duì)液滴vz的影響較小。
　　(5)引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的離散系數(shù)，對(duì)離心式噴嘴、撞擊式噴嘴和空氣霧化噴嘴在大氣環(huán)境中和小尺度模擬燃燒室內(nèi)的霧化場參數(shù)的空間分布均勻性進(jìn)行了定量分析研究。結(jié)果表明:噴射壓力和壁面限制作用都會(huì)對(duì)霧化場參數(shù)分布均勻性產(chǎn)生影響。離心式噴嘴和空氣霧化噴嘴霧化場

7、液滴參數(shù)在大氣環(huán)境中周向分布均勻性優(yōu)于小尺度模擬燃燒室內(nèi)的。而撞擊式噴嘴霧化場液滴平均直徑在小尺度模擬燃燒室內(nèi)分布均勻性優(yōu)于大氣環(huán)境中;在r＜12mm的徑向范圍內(nèi)，小尺度模擬燃燒室內(nèi)液滴軸向速度的分布均勻性較好;在r＞15mm的徑向范圍內(nèi)，大氣環(huán)境中液滴軸向速度的分布均勻性優(yōu)于小尺度模擬燃燒室內(nèi)。
　　(6)基于VOF模型，建立了一種三維非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流模型，對(duì)離心式噴嘴內(nèi)HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬

8、結(jié)果表明:該模型可以捕捉到離心式噴嘴內(nèi)的氣液界面變化;旋流室內(nèi)的空氣核在周圍液體帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并在氣液交界面形成氣液摻混帶;噴霧錐角隨著時(shí)間推移逐漸減小，并趨于穩(wěn)定;旋流室越長，噴霧錐角越小;旋流室收縮角越小，噴霧錐角越小;液體模擬工質(zhì)粘度越大，噴霧錐角越小。噴霧錐角的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　(7)在離心式噴嘴實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用離散相DPM模型建立了一種三維非穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)在大氣環(huán)境中和小尺度模擬

9、燃燒室內(nèi)噴霧特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明:增大液體噴射壓力有助于細(xì)化霧化場液滴粒徑和提高液滴運(yùn)動(dòng)速度;增大液體粘度惡化霧化效果;在相同的噴射條件下，小尺度模擬燃燒室內(nèi)液滴粒徑小于大氣環(huán)境中，液滴軸向速度在兩種噴射環(huán)境中相差較小。離心式噴嘴霧化場參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明所建立的模型可以對(duì)離心式噴嘴噴霧特性進(jìn)行定量研究。
　　(8)在撞擊式噴嘴實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用DPM模型建立了一種二維非穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)HAN基液體推進(jìn)

10、劑模擬工質(zhì)在大氣環(huán)境中和小尺度模擬燃燒室內(nèi)的噴霧特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明:在大氣環(huán)境中，撞擊射流在撞擊點(diǎn)后，形成了以撞擊點(diǎn)為頂點(diǎn)的對(duì)稱錐形霧化場分布，液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在空間呈現(xiàn)“梭形”分布;撞擊角度越大，液滴群沿徑向擴(kuò)散范圍越大，霧化場中心的小顆粒液滴也越多;液體工質(zhì)粘度越大，液滴D32越大，而液滴vz越小。在小尺度模擬燃燒室內(nèi)，受壁面限制，液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布不像大氣環(huán)境中那樣的“長梭形”，而是擴(kuò)張為“扇形”;撞擊角度越大，液滴D32