切尔诺贝利,动力推动技能助力航天科技丨前沿,赫敏

跟着当今军事工业及航天科技的迅猛展开,导弹、火箭及空间飞行器等武器装备和运载体系的功能越来越优异,对其动力推动设备各项功能的要求也越来越高。先进的动力推动技能不只能够缩短航天方案的研制时刻,下降运转本钱,一同还可进步飞行器的安全性、操作性和能量特性。因而,先进的动力推动技能成为各航天大国的研讨焦点和首要方针。

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凝胶推动剂是一种新式火箭推动剂,它不易走漏、能长时刻储存、在贮箱中不晃动、对冲击和磕碰等不灵敏,兼有液体推动剂的高比冲、推力可调、屡次发动和固体推动剂的易储存运送、运用保护比较便利的优势,在未来新式导弹武器体系中具有宽广的运用远景。因而,凝胶推动剂成为世界各国大力研讨的新式火箭推动剂。可是,凝胶推动剂作为一种非牛顿流体,其黏度比液体推动剂更大,雾化问题已成为困扰凝胶推动技能展开的关键问题之一。深入研讨凝胶推动剂的雾化特性,提醒凝胶推动剂的雾化机理,关于进步推动剂的焚烧功率,进步发动机的作业功能具有重要含义。

凝胶推动剂雾化试验研讨进展

试验研讨是凝胶推动剂雾化研讨的首要手法,雾化试验中常用的喷注器类型首要有双股碰击式、三股碰击气动式、同轴离心式等,其间,双股碰击式喷注器因为结构简略、雾化作用好而运用最为广泛,本书中的雾化试验及数值模仿中均选用此类喷注器,因而,本节首要对根据双股碰击式喷注器的凝胶推动剂雾化的研讨进展进行剖析。根据双股碰击式喷注器的凝胶推动剂雾化试验设备如图1所示,凝胶推动剂经过喷注器喷出构成射流,射流碰击后构成液膜并进一步破碎构成液丝及液滴。凝胶推动剂雾化作用一般沿袭液体推动剂的表征办法,选用雾化角b (射流碰击后构成液膜的打开视点)、液膜破碎长度(从碰击点到液膜破碎成液丝的间隔)、索特均匀直径(Sauter mean diameter,SMD)等参数进行表征,雾化角越大、液膜破碎长度越小、SMD越小,雾化作用越好。

图1 根据双股碰击式喷注器的凝胶推动剂雾化试验设备示意图

在国外,20世纪90年代曾经的研讨首要会集在凝胶推动剂的制备办法及流变特性上;20世纪90年代今后,逐步开端研讨凝胶推动剂的雾化特性。Green等比较凝胶推动剂和非凝胶推动剂的雾化特性,根据雾化图画指出,非凝胶推动剂雾化作用更好,且当气体质量流量不变而流体质量流量增大时,雾化作用更好,可是该定论的合理性还存在较大争议。

Anderson等和Ryan等调查了雾化设备的几许参数对层流和湍流射流雾化的影响,丈量不同工况下的液膜宽度、液膜破碎长度、液膜外表不安稳波长及液滴标准,并将安稳性理论猜测的液膜破碎长度及液滴巨细与试验成果进行比照,成果标明,线性安稳理论猜测的成果与试验还存在距离,但趋势共同,尽管该定论是在牛顿流体的雾化试验中得出的,但对研讨非牛顿流体的雾化特性有很好的参阅含义。

Chojnacki等别离进行冷流条件下水凝胶和水的碰击式喷嘴雾化试验,试验设置了3种碰击视点,经过电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)相机获得了雾化图画,试验成果标明,在相同的工况下,水凝胶的雾化愈加困难,其原因为胶凝剂构成的空间网络结构使水凝胶的黏度增大,然后发生了较长的液丝。

Mansour等选用气动式喷注器研讨黏弹性非牛顿流体的雾化特性,指出黏弹性流体的雾化比非弹性流体的雾化困难许多,黏弹性流体的拉伸黏度是阻止其雾化的首要要素,而非弹性流体的雾化首要受其表观黏度的影响,一同还指出,气动式雾化的SMD跟着气液密度比、黏性、外表张力的减小而减小。

Guglielmi经过试验丈量凝胶推动剂雾化的SMD,并比照了相同条件下水雾化的成果,给出了与Mansour等相同的定论。Chojnacki等又研讨凝胶推动剂模仿液的碰击式雾化行为,研讨标明,当韦伯数(We)介于400~500时,液膜开端破碎成液丝,可是液丝很难破碎成液滴。Helmut等对Jet A-1燃料的碰击式雾化问题进行研讨,成果标明,当碰击视点为100°、喷嘴直径为0.7mm、射流速度为35m/s时,液丝开端从液膜脱离,逐步转变成更小的液丝,从而构成液滴,液丝的距离约为10mm。

Kihoon等研讨射流碰击式喷嘴雾化的液膜破碎特性,剖析液膜破碎长度随韦伯数和碰击视点的改动状况;Jayaprakash等的研讨标明,当喷发压力不变时,雾化角随碰击视点的增大而增大,当碰击视点一守时,喷发压力的增加能够减小破碎长度。Rahimi等对凝胶推动技能进行较为体系的研讨,首要包含凝胶推动剂及其模仿液的制备及流变特性研讨,无机凝胶推动剂的触变特性研讨及凝胶推动剂的雾化特性研讨。

Kampen等对含金属颗粒的凝胶推动剂进行雾化试验研讨,剖析金属颗粒含量对凝胶推动剂雾化的影响,并根据雷诺数将雾化现象区分为三种方式。Syed等研讨喷嘴孔进口形状对液膜破碎长度的影响,成果标明,喷嘴孔进口形状对液膜破碎长度影响较小,长径比对雾化成果有较大影响,长径比越大,雾化越困难,液膜破碎长度也越大。

Negri 等研讨非牛顿流体的碰击雾化特性,要点评论非牛顿流体的黏弹性对雾化作用的影响,指出流体弹性越小,雾化作用越好,小分子量的凝胶模仿液雾化作用较好,线性聚合物溶液比交联型聚合物溶液简单雾化。Jung等进行黏弹性流体的碰击雾化试验,并与牛顿流体的雾化进行比照。Jonatan等指出,胶凝剂含量越高,凝胶推动剂雾化越困难,得到的液滴标准越大。

国内对凝胶推动剂雾化的试验研讨相对少一些,首要会集在中国航天科技集团第六研讨院、西北工业大学等单位。代予东等剖析凝胶推动剂雾化特性的表征办法,一同讨论凝胶推动剂的制备办法。张蒙正等研讨水凝胶的互击式喷嘴雾化特性,获得水凝胶的雾化图画,提出在管路中参加少数空气或许选用粗糙孔喷发射流,可有用减小液膜和液丝的破碎长度,改善雾化作用;一同还研讨凝胶模仿液在0.3mm孔径的喷嘴中的雾化特性,得到不同速度、不同碰击视点以及不同黏度的碰击雾化图画,指出射流速度和碰击视点的增加能增强雾化作用,非牛顿流体极限剪切黏度越小越简单雾化,雾化场首要由液膜和液丝构成,而液滴数目较少。杨伟东等、蔡锋娟等别离对凝胶推动剂的雾化问题的研讨现状进行总结,指出当时研讨存在的问题。王枫等对凝胶推动剂流变与雾化试验体系进行改善,成果标明,改善后的试验体系流量供给平稳,调理组织精度较高,已成功用于凝胶推动剂流变和雾化特性研讨之中。

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别的,国内外还有少数学者对参加固体含能颗粒成分的凝胶推动剂或模仿液进行了试验研讨。其间,2003年,Jayaprakash等运用含铝颗粒的火油凝胶进行试验,可是,从其研讨中难以得出铝颗粒的增加对雾化的影响。2007年,Kampen等对增加不同浓度的铝颗粒的凝胶Jet A-1燃料的流变、雾化及焚烧特性进行了具体研讨,成果标明,一切增加铝颗粒的凝胶均表现出显着的屈服应力,铝浓度的增大构成剪切黏度的增大,会使液膜的宽度增大、破碎长度增加。当改动广义雷诺数及铝颗粒浓度时,会呈现射线型、液丝型、彻底展开型三种不同的雾化方式。2011年,Baek等比照研讨水、不含/含SUS304颗粒的聚羧乙烯凝胶的雾化特性,研讨发现,跟着碰击速度的进步,水及不含SUS304颗粒的聚羧乙烯凝胶构成的液膜均会增大,但含SUS304颗粒的凝胶液膜并不跟着碰击速度改动而改动,含SUS304颗粒的凝胶液膜的长宽比根本保持在2.1左右,且液膜破碎长度更小。2012年,张蒙正等运用N2O4凝胶和增加10%碳颗粒的UDMH凝胶进行焚烧功率试验,研讨标明,增加碳颗粒后,凝胶体系的黏度略有增大,构成雾化作用变差,焚烧功率下降。从上述较为有限的研讨文献中,能够看呈现阶段很难体系、定量地剖析固体颗粒的增加对凝胶推动剂流变及雾化等的影响。

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从雾化试验的展开来看,丈量技能是凝胶推动剂雾化特性研讨的根底,当时丈量雾化特性的首要办法有粒子图画速度仪、相位多普勒速度仪、激光诱导荧光拍照技能、激光全息技能及高速拍照技能等。可是,因为凝胶推动剂雾化场首要由液膜和液丝构成,而液滴较少,因而,选用粒子图画速度仪、相位多普勒速度仪研讨该问题时很难获得速度场的信息;激光诱导荧光拍照技能则需求在凝胶推动剂中参加荧光剂,丈量精度受环境温度和丈量标定准确性的影响;激光全息技能尽管能够准确获得某一时刻的雾化场信息,但无法得到雾化场的动态特性,而凝胶推动剂雾化时,其液膜破碎长度、液膜不安稳波长等都处于动态改动进程中,经过激光全息技能无法准确获得这些信息。跟着高速摄像机拍照精度和拍照频率的进步,高速拍照技能已成为凝胶推动剂雾化最重要的丈量手法,经过接连拍照的雾化图画,可调查雾化场的动态展开进程,为剖析凝胶推动剂雾化特性供给了重要支撑。

凝胶推动剂雾化仿真研讨进展

在工程运用和科学研讨中,核算机数值模仿现已逐步成为处理杂乱问题的一种重要手法。与凝胶推动剂雾化试验比较,雾化数值模仿本钱低、可重复性好、无安全性问题,能够获得试验无法丈量的剪切速率、压力等物理量的改动规则,将仿真成果与试验现象、理论猜测相结合,有助于进一步提醒雾化机理,辅佐凝胶推动体系的规划。从数值模仿的视点来看,雾化问题(包含传统液体推动剂雾化及凝胶推动剂雾化)是一个典型的纯三维、多标准、自在外表、大变形活动的问题。传统网格法在处理雾化问题时,存在网格歪曲(Lagrange网格法)及准确界面追寻(Euler网格法)等难题,长时刻以来,导致雾化问题的数值模仿研讨进展缓慢。近年来,跟着核算办法的展开和核算机核算才能的进步,运用Euler网格法为根底的雾化问题数值模仿研讨相继见诸报导;一同,研讨人员根据新式的无网格办法,对雾化数值模仿也进行了必定的探究。

准确界面追寻技能是Euler网格法得以运用的中心。从文献成果来看,传统的结构、非结构类网格已不能满意雾化类问题准确界面追寻的需求,如被广泛运用自适应网格加密(adaptive mesh refinement,AMR)技能,又称网格自适应技能;一同,单一的界面追寻办法,如流体体积(volume of fluid,VOF)办法、等值面(level set)办法、网格质点(particle in cell,PIC)办法等,也不能获得较为抱负的界面追寻作用。因而,将多种界面追寻办法相结合,一同发挥各自的优势成为展开的干流,这类办法的典型代表有多界面对流重构求解器耦合等值面(multi-interface advection and reconstruction solver & level set, MARS-LS)办法、准确等值守恒面(accurate conservative level set, ACLS)办法、耦合等值面与流体体积函数(coupled level set and volume of fluid, CLSVOF)办法等。

Euler网格法在雾化及相关问题中的运用首要是在2008年和2012年,Inoue等根据紧致插值曲线(constrained interpolation profile, CIP)办法核算对流项,选用MARS-LS办法追寻气液两相界面,对水射流的开裂及双股水射流碰击雾化进行了数值模仿,模仿得到的射流开裂及液膜的构成进程均与试验较为共同,但液膜的破碎方式与试验存在必定距离。Arienti等和Li等选用AMR技能和CLSVOF办法,一同结合Lagrange粒子追寻技能,别离数值模仿水射流在低速和高速状态下的碰击雾化进程,得到液滴标准和粒径散布,并与试验成果进行比照,证明该办法的有用性。可是,用Lagrange粒子标明雾化液滴只能呈球形并做刚性运动,无法描绘液滴进一步的碰击变形、破碎等物理进程。

2011年,Ma将VOF办法和根据八叉树网格的AMR技能相结合,对双股牛顿及非牛顿流体射流碰击的一次雾化进行数值模仿,其间非牛顿流体运用Herschel-Bulkley本构模型,得到非牛顿流体的两种雾化方式,研讨成果标明,黏性力和外表张力是导致液膜破碎的首要要素。

2013年,Zuzio等对法国航空航天研讨院(ONERA)的雾化数值模仿研讨的现状进行总结,对ONERA开发的DYJEAT和SLOSH代码进行介绍及算例测试,测试成果标明,DYJEAT及SLOSH均能较为有用地捕获二维及三维气液两相流场的运动界面。Davide以为,独自依托Euler网格法进行雾化研讨的核算功率很低,与Lagrange粒子标明相结合的办法能够更为高效地处理雾化问题,为此,ONERA正在开发一套名为CEDRE的核算程序,以完成高精度模仿一次雾化及二次雾化的长时刻方针。

2015年,郑刚等选用CLSVOF办法对水射流碰击雾化进程进行数值仿真模仿,成果标明,CLSVOF办法能够较为有用地追寻雾化进程中杂乱的变形界面,但气液界面速度差,射流湍流、碰击作用等均会发生不安稳要素,影响雾化作用。

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以上根据Euler网格法的雾化问题数值模仿均能在必定程度上反映雾化现象,可是,所运用的数值办法均十分杂乱,程序完成困难,核算量巨大,对核算渠道要求很高,工程运用难度很大。以ONERA进行的液膜破碎进程仿真为例,核算区域标准仅为3mm×6mm×3mm,但运用的网格数高达33554432个,据此预算,若要对典型的大约10cm×5cm×5cm的雾化区域进行核算,则需求约1012个网格,核算量十分巨大,即便运用Lagrange粒子对雾化生成的液滴进行标明,其核算量也不会得到质的削减。

为战胜传统网格办法的缺乏,更为有用地仿真雾化问题,强洪夫等和韩亚伟等探究性地运用润滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)办法进行牛顿/非牛顿射流碰击雾化问题的数值模仿。与传统网格办法比较,SPH办法是一种纯Lagrange无网格粒子办法,它运用一系列离散的粒子对核算域进行表征,粒子既代表插值点,又代表物质点,承载着质量、密度、速度等物理量。SPH办法的纯Lagrange粒子特点使其在核算自在外表活动、流体大变形及破碎、运动鸿沟等问题时,彻底无须追寻界面,具有网格法不行比较的优势。为使SPH办法更有用地模仿雾化问题,强洪夫等对SPH办法进行了针对性的改善:为战胜凝胶推动剂的高黏度对时刻步长的约束,展开三维多时刻步隐式SPH办法;为进步外表张力核算精度,提出根据批改润滑粒子法(corrective smoothed particle method, CSPM)批改的外表张力算法;为有用施加固壁鸿沟条件,提出根据罚函数办法的新式鸿沟力模型;为处理气液界面处密度、压力等物理量的不接连问题,展开大密度差多相流SPH办法等。运用SPH办法进行的雾化仿真实践标明,在粒子数为106量级的状况下,SPH办法能够有用仿真射流碰击、液膜构成、液膜破碎的典型进程,一同,关于雾化进程中呈现的液滴变形、磕碰等问题也有很强的处理才能。SPH办法为高效、准确地进行凝胶推动剂雾化数值模仿供给了一条新途径。

本文摘编自强洪夫 等著《凝胶推动剂雾化的试验与SPH数值模仿研讨》一书文前及第一章部分,内容有删省。标题为编者所加。

《凝胶推动剂雾化的试验与SPH数值模仿研讨》

强洪夫 等 著

北京:科学出版社,2019.3

ISBN 978-7-03-060011-0

责任修改:宋无汗 赵轻轻

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凝胶推动剂是一类新式推动剂,具有能量密度高、安全性好、能长时刻储存等长处。因为一同具有了液体推动剂和固体推动剂的长处,凝胶推动剂成为当时推动技能研讨的新趋势,雾化问题是凝胶推动技能的关键问题之一,对其进行研讨具有重要的科学价值和实际含义。本书是论说凝胶推动剂雾化试验及其数值模仿的一本专著,将为凝胶发动机雾化及焚烧进程的剖析供给根底,为该领域内学者的后续研讨供给重要的参阅。

本书可作为航空宇航专业的高年级本科生、研讨生以及火箭发动机方面研讨人员的教材或参阅用书,也可供多相界面流和流体雾化领域内机械、土木、动力、水利、工程热物理和航空航天等专业的科研人员阅览。

(本期修改:王芳)

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