【摘要】：航空煤油凝膠是在航空煤油中加入膠凝劑后形成的,具有穩(wěn)定膠凝結(jié)構(gòu)的凝膠燃料,相對于一般的航空煤油有不易泄漏和揮發(fā),并且可以通過添加含能顆粒進一步增加能量密度的優(yōu)勢,在沖壓發(fā)動機中有較高的應(yīng)用前景。但航空煤油凝膠的高粘性特征導致了較低的霧化效果,影響到了推進劑的高效穩(wěn)定燃燒和發(fā)動機的性能。研究煤油凝膠的霧化機理并獲得提升霧化質(zhì)量的技術(shù)方法,對促進航空煤油凝膠在沖壓發(fā)動機中的工程運用具有重要意義。本文以沖壓發(fā)動機凝膠推進劑的霧化問題為基本研究背景,采用了實驗和理論分析相結(jié)合的方法,搭建了凝膠撞擊霧化和液滴破碎實驗臺,建立了冪律撞擊液膜雙模態(tài)下的線性分析方法和基于TAB(Taylor Analogy Breakup)的凝膠液滴變形振蕩模型,提出了凝膠液滴分區(qū)域的剪切速率控制系數(shù)計算方法和模式劃分依據(jù)。本文主要研究工作包括:(1)開展了不同條件下的凝膠撞擊霧化實驗,并首次探討了偏心撞擊和射流長度對凝膠撞擊霧化的影響。拍攝了撞擊液膜形態(tài)及發(fā)展過程,測量了破碎長度、擾動波長和霧化后液滴的尺寸分布等特征參數(shù)。推導了偏心撞擊下液膜偏角計算公式,進行射流擾動分析,獲得了射流長度對撞擊霧化的影響機理。研究結(jié)果表明:射流速度小于27.56m/s時,增大射流速度可以有效提高撞擊霧化質(zhì)量;增大撞擊角度有利于撞擊霧化,但本文撞擊角度超過60°后噴霧后方會出現(xiàn)較多凝膠流體,不宜燃燒組織;偏心撞擊對液膜破碎形態(tài)影響不大,但霧化質(zhì)量始終比正撞擊好;射流長度對撞擊霧化質(zhì)量而言存在一個最優(yōu)值,本文研究范圍內(nèi)其值為25/3,但隨著射流速度的增加最優(yōu)值可消失,此時霧化質(zhì)量則隨射流長度單調(diào)降低。(2)建立了基于冪律本構(gòu)模型的航空煤油凝膠撞擊液膜雙模態(tài)擾動線性分析方法,推導得到了相應(yīng)的色散方程,獲得了各物性和動力參數(shù)對液膜不穩(wěn)定性的影響規(guī)律,突破了目前無法對冪律液膜進行雙模態(tài)線性分析的局限性。提出了射流擾動和液膜擾動的線性相關(guān)關(guān)系,建立了射流長度對撞擊液膜穩(wěn)定性的線性分析方法,從理論上揭示了射流長度對凝膠撞擊霧化的影響規(guī)律和射流與液膜的擾動繼承關(guān)系,填補了撞擊霧化中射流和液膜綜合線性分析的研究空白。研究結(jié)果表明:本文線性分析方法計算得到的破碎長度和擾動波長與經(jīng)典色散方程結(jié)果符合,與實驗結(jié)果趨勢上基本吻合,說明本文的理論模型和推導過程是有效的。(3)對煤油和煤油凝膠在不同條件下的運動變形特征進行了實驗分析,獲得了變形量、周期和振幅等參數(shù)在不同實驗條件下的變化規(guī)律。采用來流速度和液滴粒徑,通過引入剪切率控制系數(shù)構(gòu)建了凝膠液滴的粘性計算模型,相對早期的計算模型其應(yīng)用范圍大大提升。基于TAB模型建立了凝膠液滴振蕩變形模型,進行了各物性和動力參數(shù)對凝膠液滴變形振蕩的影響規(guī)律理論分析。研究結(jié)果表明:凝膠液滴的阻力特征與牛頓流體液滴相似,凝膠液滴的曳力系數(shù)可以采用目前文獻給出的經(jīng)典計算公式;韋伯數(shù)大于60時,液滴最大變形量基本保持不變;TAB計算結(jié)果與實驗相比,振幅趨勢符合而定量有一定誤差,需要進一步完善。(4)對煤油和煤油凝膠的破碎特性進行實驗研究與分析,提出了分區(qū)域的剪切速率控制系數(shù)計算方法和模式劃分依據(jù),獲得了凝膠液滴的破碎模式分布圖像,揭示出航空煤油凝膠依然符合高-低粘度牛頓流體液滴模式分布規(guī)律。獲得了凝膠液滴的初始和總破碎時間、子液滴空間分布區(qū)域大小及其隨實驗條件的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:實驗范圍內(nèi)煤油和煤油凝膠破碎行為總體相似,都獲得5種常見的破碎模式,分別為:振蕩型、袋型、多模式、剪切型和災型破碎模式;不同Oh數(shù)下,對比初始和總破碎時間與相關(guān)文獻的計算值,發(fā)現(xiàn)本文提出的分區(qū)域剪切速率控制系數(shù)計算方法比目前統(tǒng)一的計算方法具有更高的計算精度,為更精確的沖壓發(fā)動內(nèi)噴霧場設(shè)計和數(shù)值模擬,進而提升發(fā)動機性能提供了理論支撐。(5)初步開展了湍氣流條件下煤油和煤油凝膠液滴的破碎特性研究,給出了基于Kolmogoroff微尺度長度的湍流影響�；瘎澐忠罁�(jù),拍攝了液滴破碎行為及過程,研究了液滴破碎時間和子液滴空間分布特征,獲得了湍氣流條件下凝膠液滴模式轉(zhuǎn)換條件和湍流參數(shù)對液滴破碎的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:湍氣流中液滴破碎具有一定隨機性,低氣流速度下可能經(jīng)歷高氣流速度下的破碎模式;層流狀態(tài)下轉(zhuǎn)換We數(shù)剪切破碎在80～104,災型破碎在323～423,而湍流下轉(zhuǎn)換Weave數(shù)剪切破碎在37.4～46.6,災型破碎則在79～123,數(shù)值上大大降低,說明湍流促進了氣體和液滴的動量傳遞,加快了破碎模式轉(zhuǎn)換,有利于液滴破碎。因此,在發(fā)動機噴霧場局部可以通過噴霧設(shè)備和內(nèi)型面設(shè)計人為增加湍流強度從而促進凝膠的霧化質(zhì)量,提升發(fā)動機的燃燒效率和性能。通過本文的研究內(nèi)容,對航空煤油凝膠撞擊霧化和液滴破碎機理進行了深入系統(tǒng)的探討,為提高航空煤油凝膠霧化質(zhì)量和完善沖壓發(fā)動機中噴霧燃燒組織方式及相關(guān)噴霧設(shè)備的研制提供了理論和實踐基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖１．１凝膠沖壓發(fā)動機模型示意圖逡逑但凝膠推進劑膠凝化后也帶來很多問題，阻礙了凝膠推進劑進一步在沖壓發(fā)逡逑動機中的運用。凝膠推進劑粘度高，并隨剪切率變化，使得凝膠的流動控制相對逡逑于常規(guī)液體推進劑更復雜，所需系統(tǒng)壓差也更高。由于屈服應(yīng)力的存在，導致流逡逑動管道燃料滯止。特別地，凝膠的高粘性導致霧化效果差，難以在沖壓發(fā)動機燃逡逑燒室中達到高效燃燒，是影響后續(xù)燃燒效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。如何設(shè)計霧化逡逑裝置實現(xiàn)凝膠推進劑的高效霧化，己經(jīng)成為凝膠推進劑研究的重點內(nèi)容之一。各逡逑國研究者從實驗、理論和數(shù)值仿真開展了大量的研究，對凝膠推進劑的霧化機理逡逑進行了探討。但是，由于霧化本身的復雜性、多因素性和強烈的非線性，目前認逡逑識還遠遠不夠。逡逑針對凝膠的低效率霧化問題，有必要加強凝膠推進劑霧化機理的相關(guān)研究，逡逑為促進凝膠推進劑的運用，指導沖壓發(fā)動機霧化裝置設(shè)計，進而提高推進劑的燃逡逑燒效率和沖壓發(fā)動機的整體性能創(chuàng)造條件。因此，，本文采用實驗和理論相結(jié)合的逡逑方法對制備的航空煤油凝膠的撞擊霧化和液滴破碎（即二次霧化）機理進行了深逡逑入細致的探討和研宄。逡逑

火焰面邐膠凝層逡逑圖１．３凝膠液滴三階段燃燒模型逡逑凝膠推進劑加入金屬顆粒后，可以提高其能量特性。圖１．４為相關(guān)燃料和添逡逑加劑熱值及添加鋁顆粒后推進劑理論燃燒溫度變化情況。由此可見，添加金屬顆逡逑粒后能夠有效提高凝膠推進劑能量。逡逑５逡逑
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V312

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本文編號：2651595