本文關鍵詞：三氧化二鋁液滴碰撞機理及模型研究

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【摘要】：液滴碰撞作為一種常見的液態(tài)流體流動現(xiàn)象，普遍存在于自然及現(xiàn)代科技工業(yè)界，如降雨、瀑布、內(nèi)燃機和航空發(fā)動機內(nèi)的液體燃料霧化過程等。三氧化二鋁液滴碰撞作為含鋁復合推進劑固體火箭發(fā)動機內(nèi)燃燒、流動等多物理過程中的一項，其結果對發(fā)動機內(nèi)絕熱層防護、噴管燒蝕、潛入噴管背壁區(qū)熔渣沉積以及燃燒穩(wěn)定性等都會產(chǎn)生影響。為全面掌握發(fā)動機內(nèi)流場的物理信息，保障其安全、穩(wěn)定及高效地工作，揭示三氧化二鋁液滴碰撞規(guī)律并建立碰撞模型就顯得十分必要。 本文采用基于VOF界面追蹤法及自適應網(wǎng)格技術的直接數(shù)值模擬方法，首先針對正十四烷煤油液滴開展了二維軸對稱對心碰撞和三維偏心碰撞的數(shù)值模擬，取得了與實驗基本相同的液滴碰撞變形過程及結果類型，驗證了數(shù)值計算方法的可行性和準確性。通過對等尺寸三氧化二鋁液滴對心和偏心碰撞的數(shù)值研究，獲得了碰撞結果類型的區(qū)域分布We-B圖，并揭示了各結果類型的形成條件和物理機理。數(shù)值研究了液滴尺寸、尺寸比及環(huán)境壓強對三氧化二鋁液滴碰撞結果的影響，結合理論分析獲得了三種因素及推進劑燃燒溫度對碰撞結果的影響規(guī)律。利用數(shù)值計算結果，基于碰撞物理機理，建立了三氧化二鋁液滴的碰撞模型。通過本文研究，得到的主要結論如下： （1）等尺寸三氧化二鋁液滴碰撞在計算參數(shù)D0=10μm, Oh=0.1151, We=1~800,B=0.1~0.7條件下，數(shù)值計算獲得了液滴反彈（II）、大變形后聚合（III）、自反分離后無子液滴（IV）、自反拉伸聚合（V）、自反分離后產(chǎn)生子液滴（VI）以及拉伸分離（VII）等六種結果類型。由于未考慮稀薄氣體流動及范德華力模型等，因此無法獲得微小變形后聚合（I）。對心碰撞條件下，結果類型（II）、（III）、（IV）、（V）、（VI）之間的臨界We數(shù)分別為40、239、318、355。在We355條件下，對心碰撞后均發(fā)生自反分離并產(chǎn)生子液滴；在355We 500條件下，液滴分離的物理機理為末端夾斷機制，分離后三個液滴尺寸相近；當We600時，液滴分離的物理機理則為毛細不穩(wěn)定機制，產(chǎn)生多個尺寸不同的小液滴。偏心碰撞在B=0.1,0.3,0.4,0.5條件下，結果類型（III）與（IV）或（VII）之間的臨界We數(shù)分別為307,224,94,59。通過對碰撞過程的液滴形變和能量變化分析，揭示了各碰撞結果類型的基本過程及物理機理。 （2）等尺寸三氧化二鋁液滴直徑D0=10μm、100μm、200μm時，，Oh=0.1151、0.0364、0.0257，對心碰撞的反彈臨界We數(shù)分別為40、26、21，自反分離的臨界We數(shù)分別為239、45、34。液滴尺寸和推進劑燃燒溫度變化主要影響液滴碰撞的Oh數(shù)。隨著液滴尺寸減小，Oh數(shù)增大，反彈及自反分離的臨界We數(shù)均逐漸增大，反彈區(qū)域略有增加，聚合區(qū)域則明顯擴大，自反分離需在高We數(shù)下才能發(fā)生。而隨著推進劑溫度的升高，Oh數(shù)逐漸減小，且減小的速率也逐漸變小，反彈和自反分離的臨界We數(shù)均減小，反彈區(qū)域逐漸變小，聚合區(qū)域大幅縮小，自反分離區(qū)域逐漸向低We數(shù)移動，破碎更易發(fā)生。對于等尺寸液滴碰撞，Oh數(shù)控制液滴碰撞結果類型區(qū)域分布的We-B圖，控制臨界We數(shù)大小，而We和B則共同控制液滴碰撞具體變形過程及結果，Oh數(shù)可作為等尺寸液滴碰撞規(guī)律研究的相似性準則參數(shù)。Gotaas等人[110]的自反分離臨界We數(shù)預測模型可以用于預測等尺寸三氧化二鋁液滴對心碰撞的自反分離臨界We數(shù)。 （3）液滴尺寸比γ=1、2、3，小液滴直徑為10μm，三氧化二鋁液滴對心碰撞反彈臨界We數(shù)分別為40、26、25，自反分離的臨界We數(shù)分別為239、267、390。非等尺寸液滴碰撞變形過程明顯不同于等尺寸液滴碰撞。隨著尺寸比γ的增大，液滴尺寸差異變大，反彈區(qū)域縮小，聚合區(qū)域明顯擴大，自反分離區(qū)域向高We數(shù)移動。 （4）100μm等尺寸三氧化二鋁液滴，在環(huán)境壓強為3、6、9MPa條件下，對心碰撞的反彈臨界We數(shù)分別為28、26、26，自反分離臨界We數(shù)分別為48、45、45。低壓狀態(tài)下（≤11.7atm），隨著環(huán)境壓強升高，液滴反彈臨界We數(shù)逐漸增大。高壓狀態(tài)下（≥3MPa），壓強變化對液滴碰撞變形過程及反彈臨界We數(shù)基本沒有影響。在不同壓強范圍內(nèi)，液滴自反分離和拉伸分離均基本不受環(huán)境壓強變化的影響。 （5）基于三氧化二鋁液滴不同碰撞結果類型的物理機理，經(jīng)過碰撞過程中的能量及變形的理論分析，考慮粘性耗散，結合本文數(shù)值計算結果，建立了三氧化二鋁液滴碰撞模型，包括微小變形后聚合模型、反彈模型、自反分離模型、拉伸分離模型以及分離后液滴參數(shù)計算模型。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V435.1

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：1236454