航空煤油凝胶的撞击雾化及液滴破碎机理研究

【类型】学位论文

【作者】邓寒玉 

【关键词】 液滴破碎,液滴变形,撞击雾化,航空煤油凝胶,线性不稳定性分析

【摘要】航空煤油凝胶是在航空煤油中加入胶凝剂后形成的,具有稳定胶凝结构的凝胶燃料,相对于一般的航空煤油有不易泄漏和挥发,并且可以通过添加含能颗粒进一步增加能量密度的优势,在冲压发动机中有较高的应用前景。但航空煤油凝胶的高粘性特征导致了较低的雾化效果,影响到了推进剂的高效稳定燃烧和发动机的性能。研究煤油凝胶的雾化机理并获得提升雾化质量的技术方法,对促进航空煤油凝胶在冲压发动机中的工程运用具有重要意义。本文以冲压发动机凝胶推进剂的雾化问题为基本研究背景,采用了实验和理论分析相结合的方法,搭建了凝胶撞击雾化和液滴破碎实验台,建立了幂律撞击液膜双模态下的线性分析方法和基于TAB(Taylor Analogy Breakup)的凝胶液滴变形振荡模型,提出了凝胶液滴分区域的剪切速率控制系数计算方法和模式划分依据。本文主要研究工作包括:(1)开展了不同条件下的凝胶撞击雾化实验,并首次探讨了偏心撞击和射流长度对凝胶撞击雾化的影响。拍摄了撞击液膜形态及发展过程,测量了破碎长度、扰动波长和雾化后液滴的尺寸分布等特征参数。推导了偏心撞击下液膜偏角计算公式,进行射流扰动分析,获得了射流长度对撞击雾化的影响机理。研究结果表明:射流速度小于27.56m/s时,增大射流速度可以有效提高撞击雾化质量;增大撞击角度有利于撞击雾化,但本文撞击角度超过60°后喷雾后方会出现较多凝胶流体,不宜燃烧组织;偏心撞击对液膜破碎形态影响不大,但雾化质量始终比正撞击好;射流长度对撞击雾化质量而言存在一个最优值,本文研究范围内其值为25/3,但随着射流速度的增加最优值可消失,此时雾化质量则随射流长度单调降低。(2)建立了基于幂律本构模型的航空煤油凝胶撞击液膜双模态扰动线性分析方法,推导得到了相应的色散方程,获得了各物性和动力参数对液膜不稳定性的影响规律,突破了目前无法对幂律液膜进行双模态线性分析的局限性。提出了射流扰动和液膜扰动的线性相关关系,建立了射流长度对撞击液膜稳定性的线性分析方法,从理论上揭示了射流长度对凝胶撞击雾化的影响规律和射流与液膜的扰动继承关系,填补了撞击雾化中射流和液膜综合线性分析的研究空白。研究结果表明:本文线性分析方法计算得到的破碎长度和扰动波长与经典色散方程结果符合,与实验结果趋势上基本吻合,说明本文的理论模型和推导过程是有效的。(3)对煤油和煤油凝胶在不同条件下的运动变形特征进行了实验分析,获得了变形量、周期和振幅等参数在不同实验条件下的变化规律。采用来流速度和液滴粒径,通过引入剪切率控制系数构建了凝胶液滴的粘性计算模型,相对早期的计算模型其应用范围大大提升。基于TAB模型建立了凝胶液滴振荡变形模型,进行了各物性和动力参数对凝胶液滴变形振荡的影响规律理论分析。研究结果表明:凝胶液滴的阻力特征与牛顿流体液滴相似,凝胶液滴的曳力系数可以采用目前文献给出的经典计算公式;韦伯数大于60时,液滴最大变形量基本保持不变;TAB计算结果与实验相比,振幅趋势符合而定量有一定误差,需要进一步完善。(4)对煤油和煤油凝胶的破碎特性进行实验研究与分析,提出了分区域的剪切速率控制系数计算方法和模式划分依据,获得了凝胶液滴的破碎模式分布图像,揭示出航空煤油凝胶依然符合高-低粘度牛顿流体液滴模式分布规律。获得了凝胶液滴的初始和总破碎时间、子液滴空间分布区域大小及其随实验条件的变化规律。研究结果表明:实验范围内煤油和煤油凝胶破碎行为总体相似,都获得5种常见的破碎模式,分别为:振荡型、袋型、多模式、剪切型和灾型破碎模式;不同Oh数下,对比初始和总破碎时间与相关文献的计算值,发现本文提出的分区域剪切速率控制系数计算方法比目前统一的计算方法具有更高的计算精度,为更精确的冲压发动内喷雾场设计和数值模拟,进而提升发动机性能提供了理论支撑。(5)初步开展了湍气流条件下煤油和煤油凝胶液滴的破碎特性研究,给出了基于Kolmogoroff微尺度长度的湍流影响模化划分依据,拍摄了液滴破碎行为及过程,研究了液滴破碎时间和子液滴空间分布特征,获得了湍气流条件下凝胶液滴模式转换条件和湍流参数对液滴破碎的影响规律。研究结果表明:湍气流中液滴破碎具有一定随机性,低气流速度下可能经历高气流速度下的破碎模式;层流状态下转换We数剪切破碎在80～104,灾型破碎在323～423,而湍流下转换Weave数剪切破碎在37.4～46.6,灾型破碎则在79～123,数值上大大降低,说明湍流促进了气体和液滴的动量传递,加快了破碎模式转换,有利于液滴破碎。因此,在发动机喷雾场局部可以通过喷雾设备和内型面设计人为增加湍流强度从而促进凝胶的雾化质量,提升发动机的燃烧效率和性能。通过本文的研究内容,对航空煤油凝胶撞击雾化和液滴破碎机理进行了深入系统的探讨,为提高航空煤油凝胶雾化质量和完善冲压发动机中喷雾燃烧组织方式及相关喷雾设备的研制提供了理论和实践基础。

【学位名称】博士

【学位授予单位】南京理工大学

【学位授予年度】2018

【导师姓名】武晓松;廖文和;封锋