對撞式噴嘴霧化特性的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、本文以液體火箭發(fā)動機為工程背景，針對綠色高能HAN基液體推進劑模擬工質，從實驗、理論分析、數(shù)值模擬三方面研究了對撞式噴嘴在大氣環(huán)境以及模擬燃燒室內的噴霧特性。主要研究內容及成果如下:
　　(1)采用相位多普勒粒子動態(tài)測試儀(PDA)分別測量了大氣環(huán)境下和模擬燃燒室內對撞噴嘴噴霧場的特性參數(shù)，結果表明: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改進霧化質量時，噴射壓力存在最佳值。在模擬燃燒室內，當噴射壓力

2、大于2.2MPa時，提高壓力對液滴D32基本沒有影響。在噴霧場上游，液滴數(shù)目沿徑向的分布波動幅度較大，噴霧場下游液滴分布更加均勻;相同噴射壓力，模擬燃燒室內同截面處液滴粒徑、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，在質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了液滴尺寸分布函數(shù)，建立了HAN基液體推進劑噴霧場液滴尺寸分布的簡化模型，Nukiyama-Tanasawa分布函數(shù)dN/dD=a

3、D2 exp(-bDq)。結果表明:改變q值可對數(shù)目微分分布進行修正，通過數(shù)值擬合可得q值與噴射壓力之間的函數(shù)關系q((p))=-3.44×10-3×(p)2+1.525×10-1×(p)+1.268;計算得出的液滴數(shù)目微分分布與對撞式噴嘴噴霧場液滴的實測數(shù)據(jù)變化趨勢相符。
　　(3)建立了對撞式噴嘴二維、三維非穩(wěn)態(tài)噴霧過程的數(shù)學物理模型（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。對大氣環(huán)境和模擬燃燒室建模并進行二維網格與三維網格的劃分，并進行網格無關性驗證，為對撞式噴嘴的二維與三維數(shù)值計算奠定基礎。
　　(4)采用上述二維非穩(wěn)態(tài)噴霧模型，借助Fluent軟件進行數(shù)值模擬，在大氣環(huán)境中計算得到以撞擊點為頂點的錐形霧化場，液滴D32與vz計算結果與實驗結果基本吻合;撞擊角度增加，霧化錐角增大，噴霧場達到統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)的時間相應變長，液滴D3

5、2與液滴vz沿軸向均呈現(xiàn)減小趨勢;模擬工質粘度越大，噴霧場邊緣離散液滴越少，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，對撞角度增大，液滴D32與vz沿軸向均減小;模擬工質粘度增加，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HAN基液體推進劑模擬工質在

6、大氣環(huán)境和模擬燃燒室環(huán)境中的噴霧特性進行數(shù)值模擬。結果表明: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沿軸向的模擬結果與實驗結果基本吻合，最大誤差為5.38％;霧化場液滴粒徑沿周向分布不均勻，隨著徑向距離的增加，波動程度變大;模擬燃燒室內液滴D32、vz沿軸向的計算結果與實驗結果間的最大誤差為4.83％，液滴平均直徑D32數(shù)值計算結果與實驗結果沿周向變化趨勢相符。對比大氣環(huán)境和模擬燃燒室內二維、三維噴霧計算結果與實