亚/超临界环境下航天煤油液滴燃烧理论研究

目前大推力液氧煤油火箭发动机稳定工作时燃烧室达到超临界环境,而现有的液滴蒸发燃烧模型仅适用于亚临界环境,无法用于超临界环境。建立了亚/超临界环境下煤油液滴燃烧仿真计算模型,开展了亚/超临界环境下环境参数对煤油液滴燃烧特性的影响研究。结果表明:随着环境温度的升高,火焰温度大幅增加,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。随着环境压力的增大,煤油液滴燃烧的无量纲火焰半径减小,火焰温度小幅度增大,着火时间、迁移时间和液滴寿命均缩短。压力振荡环境下,煤油液滴燃烧的液滴蒸发速率、无量纲火焰半径和火焰温度随时间变化曲线的振荡频率与环境压力振荡的频率一致,火焰温度对环境压力振荡尤为敏感。

薄带连铸亚快速凝固行为热模拟研究的现状

薄带连铸是钢铁材料短流程绿色制造的前沿技术,具有资源消耗少、节能和对环境无害等特点。目前实验室热模拟研究的薄带连铸主要是熔滴凝固和浸入式测试技术。综述了熔滴凝固技术和浸入式测试技术的发明和发展、热模拟研究中涉及的凝固和传热问题、连铸薄带的组织和性能调控及这两项技术在高强钢等金属材料生产中的应用。

亚/超临界环境下碳氢燃料液滴的蒸发与燃烧特性

采用挂滴法对正常重力下处于亚/超临界压力环境中的不同碳氢燃料液滴蒸发与燃烧现象做了详细的试验研究.采用嵌入液滴内部的热电偶和高速相机分别记录液滴温度变化和液滴发展图像.结果表明:在亚临界压力环境下,液滴燃烧过程具有平衡蒸发阶段,符合准定常假设,但在超临界压力环境下,液滴燃烧过程不再出现平衡蒸发阶段,准定常假设已不成立;液滴燃烧持续时间在亚临界状态下随着压力的增加而迅速减小,此时相平衡控制液滴燃烧速率的大小,但在超临界状态下,液滴与环境气体之间的界面变得模糊不清,燃烧持续时间随着环境压力的增加不再继续减小,而是趋于一稳定值,此时液滴已不存在相变过程,扩散系数开始影响燃烧速率;燃烧持续时间变化趋势在临界压力处的转变反映出临界压力点是判断液滴是否进入超临界燃烧的重要依据,液滴燃烧过程中液滴完全蒸发所占的时间比重在亚临界压力环境下变化不大,而在超临界压力环境下迅速减小,相对更早地完成液滴蒸发.

亚临界和超临界压力下燃料液滴的蒸发特性

以实际气体状态方程为基础,建立了适用于高压下的导热系数、扩散系数等物性参数的计算方法,并将高压汽液相平衡、混合物临界点以及蒸发焓的概念引入到液滴表面的传热传质过程中,以此为基础建立了单个燃料液滴的高压蒸发模型.研究了亚临界和超临界压力下壬烷液滴在氮气中的蒸发过程及其物理控制因素,重点探讨了超临界压力下液滴蒸发过程中液滴表面自亚临界状态向超临界状态的迁移过程及迁移条件.结果表明,在亚临界压力下,液滴蒸发始终受相变控制.在超临界压力下,当液滴表面由燃料和环境气体组成的混合物达到其临界点时,液滴表面将发生自亚临界状态向超临界状态的迁移.在液滴表面迁移之后,液滴表面消失,燃料自高浓度的燃料核心向远方场的扩散过程不受相变控制.另外,随着环境温度的升高液滴表面发生迁移所需的最低环境压力逐渐降低.

RP-3航空煤油及其替代物液滴低压着火特性

使用飞滴法对低压环境下RP-3航空煤油以及其二元替代物(体积分数80%的正癸烷和20%的1,2,4-三甲基苯)液滴的着火特性进行研究.液滴通过储油罐以及高温控压炉内的气压差推进并由平口针头产生,液滴在炉内自发着火并由高速相机记录其着火过程.实验结果表明,随着环境压力的降低,液滴的着火延迟时间呈指数型增加,而环境温度的增加会拓展RP-3煤油液滴的可燃压力极限,并缩短液滴的着火延迟时间,本文通过拟合获得液滴的着火延迟时间与压力及温度的关系式.液滴着火后,火焰增长率随着环境压力的降低而降低,火焰形态由半包火焰向尾部火焰转变.通过对比1100K环境下RP-3及二组分替代物液滴的着火过程,可发现两者的着火延迟时间随压力发展的趋势接近,但替代物由于缺乏大分子组分而更易着火,所以此二元替代物无法准确地预测RP-3航空煤油的着火过程.

单颗粒液滴飞溅对颗粒起动的影响

通过室内模拟降雨试验,探究单颗粒液滴飞溅对泥沙颗粒起动的影响。试验共设计4种地表坡度(0,15°,25°,35°)及4种粒径的均匀沙(0.098~0.104,0.104~0.5,0.5~0.78,1~1.4 mm),选取当量直径为4.5 mm的液滴进行模拟试验,同时利用高吸水树脂材料泡发后的水球作为对照组。结果表明,颗粒直径和坡度的变化对颗粒起动的影响较为显著,飞溅子液滴对液滴溅蚀具有重要意义。随着颗粒直径的增大,颗粒的起动逐渐由液滴冲击和子液滴飞溅裹挟共同作用转变为液滴冲击动能传递为主,飞溅携带为辅。当颗粒直径相同时,坡度的增大导致飞溅沙粒不再均衡,斜坡下方的颗粒飞溅量和位移随坡度的增大而增大。坡度越大,下方颗粒溅蚀深度与上方的差距也越大,导致上方颗粒失去支撑,整体失稳垮塌,发生微小滑坡。同种粒径时,树脂水球溅蚀坑的宽深比明显小于相同直径的液滴溅蚀坑,液滴溅蚀量远大于树脂水球直接撞击作用下起动的颗粒量,子液滴的拖曳对颗粒起动具有重要意义。

亚/跨临界状态下不同组分燃油液滴蒸发特性分析

亚/跨临界状态对不同燃油液滴的蒸发规律有很大影响,通过搭建高温定容液滴蒸发测量装置,测量了处于不同临界状态的C_(12)H_(26)、C_(14)H_(30)、柴油和生物柴油液滴的液滴寿命、液滴直径、液滴蒸发速率等参数,分析了4种不同组分液滴的蒸发过程、蒸发特性.结果表明:与亚临界状态(温度为573 K)相比,4种液滴处于跨临界状态(温度为973 K)时,蒸发速率分别增加了1.25、1.03、0.71、0.51 mm^(2)·s^(-1),单组分液滴的蒸发速率高于多组分液滴;液滴寿命降幅较大,分别降低了86%、89%、93%、89%;跨临界状态时,生物柴油液滴蒸发的膨胀阶段较短,液滴直径d的平方不随时间线性减小,不符合d^(2)定律;C_(12)H_(26)、C_(14)H_(30)、柴油液滴不存在膨胀阶段,液滴直径d的平方随时间线性减小,符合d^(2)定律.

激波与亚毫米液滴相互作用的二维和三维数值模拟研究

为了研究激波与亚毫米液滴相互作用过程,基于现有的实验结果,利用Fluent平台,采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型和k-ε湍流模型,通过二维数值模拟分析了不同韦伯数(We)对亚毫米液滴变形演化过程的影响规律,通过三维数值模拟揭示了亚毫米液滴爆炸式破碎机理。结果表明,韦伯数对液滴变形有促进作用,韦伯数越大,液滴在压缩变形阶段所需要的时间越短;在气动力不变的条件下,相同液滴直径条件下,马赫数越大,液滴所受的气动力越大,液滴质心位移的无量纲加速度越大,低韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而减小,而高韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而增大。数值模拟结果与对比实验结果相近,有效阐明了韦伯数对亚毫米液滴变形的作用。