對(duì)撞式噴嘴霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、本文以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為工程背景，針對(duì)綠色高能HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)，從實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬三方面研究了對(duì)撞式噴嘴在大氣環(huán)境以及模擬燃燒室內(nèi)的噴霧特性。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　(1)采用相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)測(cè)試儀(PDA)分別測(cè)量了大氣環(huán)境下和模擬燃燒室內(nèi)對(duì)撞噴嘴噴霧場(chǎng)的特性參數(shù)，結(jié)果表明:在大氣環(huán)境中，噴射壓力增加，液滴粒徑在同截面處變小，通過提高噴射壓力來(lái)改進(jìn)霧化質(zhì)量時(shí)，噴射壓力存在最佳值。在模擬燃燒室內(nèi)，當(dāng)噴射壓力

2、大于2.2MPa時(shí)，提高壓力對(duì)液滴D32基本沒有影響。在噴霧場(chǎng)上游，液滴數(shù)目沿徑向的分布波動(dòng)幅度較大，噴霧場(chǎng)下游液滴分布更加均勻;相同噴射壓力，模擬燃燒室內(nèi)同截面處液滴粒徑、速度分別大于大氣環(huán)境中液滴粒徑和速度。
　　(2)以最大熵原理為基礎(chǔ)，在質(zhì)量守恒和概率和為定值的約束條件下，用拉格朗日因子法則推導(dǎo)了液滴尺寸分布函數(shù)，建立了HAN基液體推進(jìn)劑噴霧場(chǎng)液滴尺寸分布的簡(jiǎn)化模型，Nukiyama-Tanasawa分布函數(shù)dN/dD=a

3、D2 exp(-bDq)。結(jié)果表明:改變q值可對(duì)數(shù)目微分分布進(jìn)行修正，通過數(shù)值擬合可得q值與噴射壓力之間的函數(shù)關(guān)系q((p))=-3.44×10-3×(p)2+1.525×10-1×(p)+1.268;計(jì)算得出的液滴數(shù)目微分分布與對(duì)撞式噴嘴噴霧場(chǎng)液滴的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符。
　　(3)建立了對(duì)撞式噴嘴二維、三維非穩(wěn)態(tài)噴霧過程的數(shù)學(xué)物理模型（包括連續(xù)相控制方程、離散相控制方程），選用離散相模型(DPM)計(jì)算離散相與連續(xù)相的耦合，其中

4、離散相部分是液滴，氣相采用SST k-ω湍流模型，液滴破碎使用WAVE模型。對(duì)大氣環(huán)境和模擬燃燒室建模并進(jìn)行二維網(wǎng)格與三維網(wǎng)格的劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，為對(duì)撞式噴嘴的二維與三維數(shù)值計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
　　(4)采用上述二維非穩(wěn)態(tài)噴霧模型，借助Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在大氣環(huán)境中計(jì)算得到以撞擊點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐形霧化場(chǎng)，液滴D32與vz計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合;撞擊角度增加，霧化錐角增大，噴霧場(chǎng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相應(yīng)變長(zhǎng)，液滴D3

5、2與液滴vz沿軸向均呈現(xiàn)減小趨勢(shì);模擬工質(zhì)粘度越大，噴霧場(chǎng)邊緣離散液滴越少，噴霧錐的形態(tài)越規(guī)整，在同軸截面處，霧化液滴平均直徑增大，液滴vz減小;噴口直徑越大，噴霧貫穿距增大，邊緣離散液滴變少。在模擬燃燒室內(nèi)，對(duì)撞角度增大，液滴D32與vz沿軸向均減小;模擬工質(zhì)粘度增加，邊緣聚集更多液滴，液滴D32增大;噴口直徑增加，液滴D32在同截面增大。
　　(5)采用上述三維非穩(wěn)態(tài)噴霧模型，借助Fluent軟件對(duì)HAN基液體推進(jìn)劑模擬工質(zhì)在

6、大氣環(huán)境和模擬燃燒室環(huán)境中的噴霧特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:三維非穩(wěn)態(tài)模擬可以得到更好的噴霧形態(tài)，大氣環(huán)境中液滴D32、vz沿軸向的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，最大誤差為5.38％;霧化場(chǎng)液滴粒徑沿周向分布不均勻，隨著徑向距離的增加，波動(dòng)程度變大;模擬燃燒室內(nèi)液滴D32、vz沿軸向的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的最大誤差為4.83％，液滴平均直徑D32數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果沿周向變化趨勢(shì)相符。對(duì)比大氣環(huán)境和模擬燃燒室內(nèi)二維、三維噴霧計(jì)算結(jié)果與實(shí)