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動力推進技術助力航天科技丨前沿 精選

已有 1475 次閱讀 2019-4-30 08:39 |系統分類:論文交流

隨著當今軍事工業及航天科技的迅猛發展,導彈、火箭及空間飛行器等武器裝備和運載系統的性能越來越優異,對其動力推進裝置各項性能的要求也越來越高。先進的動力推進技術不僅可以縮短航天計劃的研發時間,降低運行成本,同時還可提高飛行器的安全性、操作性和能量特性。因此,先進的動力推進技術成為各航天大國的研究焦點和主要目標。


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圖片來源丨pixabay


凝膠推進劑是一種新型火箭推進劑,它不易泄漏、能長期貯存、在貯箱中不晃動、對沖擊和碰撞等不敏感,兼有液體推進劑的高比沖、推力可調、多次啟動和固體推進劑的易貯存運輸、使用維護比較方便的優勢,在未來新型導彈武器系統中具有廣闊的應用前景。因此,凝膠推進劑成為世界各國大力研究的新型火箭推進劑。然而,凝膠推進劑作為一種非牛頓流體,其黏度比液體推進劑更大,霧化問題已成為困擾凝膠推進技術發展的關鍵問題之一。深入研究凝膠推進劑的霧化特性,揭示凝膠推進劑的霧化機理,對于提高推進劑的燃燒效率,提升發動機的工作性能具有重要意義。



凝膠推進劑霧化實驗研究進展



實驗研究是凝膠推進劑霧化研究的主要手段,霧化實驗中常用的噴注器類型主要有雙股撞擊式、三股撞擊氣動式、同軸離心式等,其中,雙股撞擊式噴注器由于結構簡單、霧化效果好而應用最為廣泛,本書中的霧化實驗及數值模擬中均采用此類噴注器,因此,本節主要對基于雙股撞擊式噴注器的凝膠推進劑霧化的研究進展進行分析;陔p股撞擊式噴注器的凝膠推進劑霧化實驗裝置如圖1所示,凝膠推進劑通過噴注器噴出形成射流,射流撞擊后形成液膜并進一步破碎形成液絲及液滴。凝膠推進劑霧化效果一般沿用液體推進劑的表征方法,采用霧化角b (射流撞擊后形成液膜的展開角度)、液膜破碎長度(從撞擊點到液膜破碎成液絲的距離)、索特平均直徑(Sauter mean diameter,SMD)等參數進行表征,霧化角越大、液膜破碎長度越小、SMD越小,霧化效果越好。

 

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圖1 基于雙股撞擊式噴注器的凝膠推進劑霧化實驗裝置示意圖

 

在國外,20世紀90年代以前的研究主要集中在凝膠推進劑的制備方法及流變特性上;20世紀90年代以后,逐漸開始研究凝膠推進劑的霧化特性。Green等比較凝膠推進劑和非凝膠推進劑的霧化特性,根據霧化圖像指出,非凝膠推進劑霧化效果更好,且當氣體質量流量不變而流體質量流量增大時,霧化效果更好,但是該結論的合理性還存在較大爭議。


Anderson等和Ryan等考察了霧化裝置的幾何參數對層流和湍流射流霧化的影響,測量不同工況下的液膜寬度、液膜破碎長度、液膜表面不穩定波長及液滴尺寸,并將穩定性理論預測的液膜破碎長度及液滴大小與實驗結果進行對比,結果表明,線性穩定理論預測的結果與實驗還存在差距,但趨勢一致,盡管該結論是在牛頓流體的霧化實驗中得出的,但對研究非牛頓流體的霧化特性有很好的參考意義。


Chojnacki等分別進行冷流條件下水凝膠和水的撞擊式噴嘴霧化實驗,實驗設置了3種撞擊角度,通過電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)相機獲得了霧化圖像,實驗結果表明,在相同的工況下,水凝膠的霧化更加困難,其原因為膠凝劑形成的空間網絡結構使水凝膠的黏度增大,從而產生了較長的液絲。


Mansour等采用氣動式噴注器研究黏彈性非牛頓流體的霧化特性,指出黏彈性流體的霧化比非彈性流體的霧化困難很多,黏彈性流體的拉伸黏度是阻礙其霧化的主要因素,而非彈性流體的霧化主要受其表觀黏度的影響,同時還指出,氣動式霧化的SMD隨著氣液密度比、黏性、表面張力的減小而減小。


Guglielmi通過實驗測量凝膠推進劑霧化的SMD,并對比了同樣條件下水霧化的結果,給出了與Mansour等相同的結論。Chojnacki等又研究凝膠推進劑模擬液的撞擊式霧化行為,研究表明,當韋伯數(We)介于400~500時,液膜開始破碎成液絲,但是液絲很難破碎成液滴。Helmut等對Jet A-1燃料的撞擊式霧化問題進行研究,結果表明,當撞擊角度為100°、噴嘴直徑為0.7mm、射流速度為35m/s時,液絲開始從液膜脫離,逐漸轉變成更小的液絲,進而形成液滴,液絲的間距約為10mm。


Kihoon等研究射流撞擊式噴嘴霧化的液膜破碎特性,分析液膜破碎長度隨韋伯數和撞擊角度的變化情況;Jayaprakash等的研究表明,當噴射壓力不變時,霧化角隨撞擊角度的增大而增大,當撞擊角度一定時,噴射壓力的增加可以減小破碎長度。Rahimi等對凝膠推進技術進行較為系統的研究,主要包括凝膠推進劑及其模擬液的制備及流變特性研究,無機凝膠推進劑的觸變特性研究及凝膠推進劑的霧化特性研究。


Kampen等對含金屬顆粒的凝膠推進劑進行霧化實驗研究,分析金屬顆粒含量對凝膠推進劑霧化的影響,并依據雷諾數將霧化現象區分為三種模式。Syed等研究噴嘴孔入口形狀對液膜破碎長度的影響,結果表明,噴嘴孔入口形狀對液膜破碎長度影響較小,長徑比對霧化結果有較大影響,長徑比越大,霧化越困難,液膜破碎長度也越大。


Negri 等研究非牛頓流體的撞擊霧化特性,重點討論非牛頓流體的黏彈性對霧化效果的影響,指出流體彈性越小,霧化效果越好,小分子量的凝膠模擬液霧化效果較好,線性聚合物溶液比交聯型聚合物溶液容易霧化。Jung等進行黏彈性流體的撞擊霧化實驗,并與牛頓流體的霧化進行對比。Jonatan等指出,膠凝劑含量越高,凝膠推進劑霧化越困難,得到的液滴尺寸越大。

 

國內對凝膠推進劑霧化的實驗研究相對少一些,主要集中在中國航天科技集團第六研究院、西北工業大學等單位。代予東等分析凝膠推進劑霧化特性的表征方法,同時探討凝膠推進劑的制備方法。張蒙正等研究水凝膠的互擊式噴嘴霧化特性,獲得水凝膠的霧化圖像,提出在管路中加入少量空氣或者采用粗糙孔噴射射流,可有效減小液膜和液絲的破碎長度,改進霧化效果;同時還研究凝膠模擬液在0.3mm孔徑的噴嘴中的霧化特性,得到不同速度、不同撞擊角度以及不同黏度的撞擊霧化圖像,指出射流速度和撞擊角度的增加能增強霧化效果,非牛頓流體極限剪切黏度越小越容易霧化,霧化場主要由液膜和液絲構成,而液滴數目較少。楊偉東等、蔡鋒娟等分別對凝膠推進劑的霧化問題的研究現狀進行總結,指出當前研究存在的問題。王楓等對凝膠推進劑流變與霧化實驗系統進行改進,結果表明,改進后的實驗系統流量供應平穩,調節機構精度較高,已成功用于凝膠推進劑流變和霧化特性研究之中。

 

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另外,國內外還有少量學者對加入固體含能顆粒成分的凝膠推進劑或模擬液進行了實驗研究。其中,2003年,Jayaprakash等使用含鋁顆粒的煤油凝膠進行實驗,但是,從其研究中難以得出鋁顆粒的添加對霧化的影響。2007年,Kampen等對添加不同濃度的鋁顆粒的凝膠Jet A-1燃料的流變、霧化及燃燒特性進行了詳細研究,結果表明,所有添加鋁顆粒的凝膠均表現出明顯的屈服應力,鋁濃度的增大造成剪切黏度的增大,會使液膜的寬度增大、破碎長度增長。當改變廣義雷諾數及鋁顆粒濃度時,會出現射線型、液絲型、完全發展型三種不同的霧化模式。2011年,Baek等對比研究水、不含/含SUS304顆粒的聚羧乙烯凝膠的霧化特性,研究發現,隨著撞擊速度的提高,水及不含SUS304顆粒的聚羧乙烯凝膠形成的液膜均會增大,但含SUS304顆粒的凝膠液膜并不隨著撞擊速度變化而變化,含SUS304顆粒的凝膠液膜的長寬比基本保持在2.1左右,且液膜破碎長度更小。2012年,張蒙正等使用N2O4凝膠和添加10%碳顆粒的UDMH凝膠進行燃燒效率實驗,研究表明,添加碳顆粒后,凝膠體系的黏度略有增大,造成霧化效果變差,燃燒效率下降。從上述較為有限的研究文獻中,可以看出現階段很難系統、定量地分析固體顆粒的添加對凝膠推進劑流變及霧化等的影響。

 

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從霧化實驗的開展來看,測量技術是凝膠推進劑霧化特性研究的基礎,當前測量霧化特性的主要方法有粒子圖像速度儀、相位多普勒速度儀、激光誘導熒光攝影技術、激光全息技術及高速攝影技術等。但是,由于凝膠推進劑霧化場主要由液膜和液絲構成,而液滴較少,因此,采用粒子圖像速度儀、相位多普勒速度儀研究該問題時很難獲得速度場的信息;激光誘導熒光攝影技術則需要在凝膠推進劑中加入熒光劑,測量精度受環境溫度和測量標定準確性的影響;激光全息技術雖然可以精確獲得某一時刻的霧化場信息,但無法得到霧化場的動態特性,而凝膠推進劑霧化時,其液膜破碎長度、液膜不穩定波長等都處于動態變化過程中,通過激光全息技術無法準確獲得這些信息。隨著高速攝像機拍攝精度和拍攝頻率的提高,高速攝影技術已成為凝膠推進劑霧化最重要的測量手段,通過連續拍攝的霧化圖像,可觀察霧化場的動態發展過程,為分析凝膠推進劑霧化特性提供了重要支撐。

 


凝膠推進劑霧化仿真研究進展



在工程應用和科學研究中,計算機數值模擬已經逐漸成為解決復雜問題的一種重要手段。與凝膠推進劑霧化實驗相比,霧化數值模擬成本低、可重復性好、無安全性問題,可以獲得實驗無法測量的剪切速率、壓力等物理量的變化規律,將仿真結果與實驗現象、理論預測相結合,有助于進一步揭示霧化機理,輔助凝膠推進系統的設計。從數值模擬的角度來看,霧化問題(包括傳統液體推進劑霧化及凝膠推進劑霧化)是一個典型的純三維、多尺度、自由表面、大變形流動的問題。傳統網格法在處理霧化問題時,存在網格扭曲(Lagrange網格法)及精確界面追蹤(Euler網格法)等難題,長期以來,導致霧化問題的數值模擬研究進展緩慢。近年來,隨著計算方法的發展和計算機計算能力的提高,應用Euler網格法為基礎的霧化問題數值模擬研究相繼見諸報道;同時,研究人員基于新興的無網格方法,對霧化數值模擬也進行了一定的探索。

 

精確界面追蹤技術是Euler網格法得以應用的核心。從文獻結果來看,傳統的結構、非結構類網格已不能滿足霧化類問題精確界面追蹤的需要,如被廣泛應用自適應網格加密(adaptive mesh refinement,AMR)技術,又稱網格自適應技術;同時,單一的界面追蹤方法,如流體體積(volume of fluid,VOF)方法、等值面(level set)方法、網格質點(particle in cell,PIC)方法等,也不能取得較為理想的界面追蹤效果。因此,將多種界面追蹤方法相結合,同時發揮各自的優勢成為發展的主流,這類方法的典型代表有多界面對流重構求解器耦合等值面(multi-interface advection and reconstruction solver & level set, MARS-LS)方法、精確等值守恒面(accurate conservative level set, ACLS)方法、耦合等值面與流體體積函數(coupled level set and volume of fluid, CLSVOF)方法等。


Euler網格法在霧化及相關問題中的應用主要是在2008年和2012年,Inoue等基于緊致插值曲線(constrained interpolation profile, CIP)方法計算對流項,采用MARS-LS方法追蹤氣液兩相界面,對水射流的斷裂及雙股水射流撞擊霧化進行了數值模擬,模擬得到的射流斷裂及液膜的形成過程均與實驗較為一致,但液膜的破碎形式與實驗存在一定差距。Arienti等和Li等采用AMR技術和CLSVOF方法,同時結合Lagrange粒子追蹤技術,分別數值模擬水射流在低速和高速狀態下的撞擊霧化過程,得到液滴尺寸和粒徑分布,并與實驗結果進行對比,證明該方法的有效性。但是,用Lagrange粒子表示霧化液滴只能呈球形并做剛性運動,無法描述液滴進一步的撞擊變形、破碎等物理過程。


2011年,Ma將VOF方法和基于八叉樹網格的AMR技術相結合,對雙股牛頓及非牛頓流體射流撞擊的一次霧化進行數值模擬,其中非牛頓流體使用Herschel-Bulkley本構模型,得到非牛頓流體的兩種霧化模式,研究結果表明,黏性力和表面張力是導致液膜破碎的主要因素。


2013年,Zuzio等對法國航空航天研究院(ONERA)的霧化數值模擬研究的現狀進行總結,對ONERA開發的DYJEAT和SLOSH代碼進行介紹及算例測試,測試結果表明,DYJEAT及SLOSH均能較為有效地捕獲二維及三維氣液兩相流場的運動界面。Davide認為,單獨依靠Euler網格法進行霧化研究的計算效率很低,與Lagrange粒子表示相結合的方法可以更為高效地處理霧化問題,為此,ONERA正在開發一套名為CEDRE的計算程序,以實現高精度模擬一次霧化及二次霧化的長期目標。


2015年,鄭剛等采用CLSVOF方法對水射流撞擊霧化過程進行數值仿真模擬,結果表明,CLSVOF方法可以較為有效地追蹤霧化過程中復雜的變形界面,但氣液界面速度差,射流湍流、撞擊作用等均會產生不穩定因素,影響霧化效果。

 

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以上基于Euler網格法的霧化問題數值模擬均能在一定程度上反映霧化現象,但是,所使用的數值方法均十分復雜,程序實現困難,計算量巨大,對計算平臺要求很高,工程應用難度很大。以ONERA進行的液膜破碎過程仿真為例,計算區域尺寸僅為3mm×6mm×3mm,但使用的網格數高達33554432個,據此估算,若要對典型的大約10cm×5cm×5cm的霧化區域進行計算,則需要約1012個網格,計算量非常龐大,即使使用Lagrange粒子對霧化生成的液滴進行表示,其計算量也不會得到質的減少。

 

為克服傳統網格方法的不足,更為有效地仿真霧化問題,強洪夫等和韓亞偉等探索性地應用光滑粒子流體動力學(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法進行牛頓/非牛頓射流撞擊霧化問題的數值模擬。與傳統網格方法相比,SPH方法是一種純Lagrange無網格粒子方法,它使用一系列離散的粒子對計算域進行表征,粒子既代表插值點,又代表物質點,承載著質量、密度、速度等物理量。SPH方法的純Lagrange粒子屬性使其在計算自由表面流動、流體大變形及破碎、運動邊界等問題時,完全無須追蹤界面,具有網格法不可比擬的優勢。為使SPH方法更有效地模擬霧化問題,強洪夫等對SPH方法進行了針對性的改進:為克服凝膠推進劑的高黏度對時間步長的限制,發展三維多時間步隱式SPH方法;為提高表面張力計算精度,提出基于修正光滑粒子法(corrective smoothed particle method, CSPM)修正的表面張力算法;為有效施加固壁邊界條件,提出基于罰函數方法的新型邊界力模型;為解決氣液界面處密度、壓力等物理量的不連續問題,發展大密度差多相流SPH方法等。應用SPH方法進行的霧化仿真實踐表明,在粒子數為106量級的情況下,SPH方法可以有效仿真射流撞擊、液膜形成、液膜破碎的典型過程,同時,對于霧化過程中出現的液滴變形、碰撞等問題也有很強的處理能力。SPH方法為高效、精確地進行凝膠推進劑霧化數值模擬提供了一條新途徑。

 


本文摘編自強洪夫 等著《凝膠推進劑霧化的實驗與SPH數值模擬研究》一書文前及第一章部分,內容有刪節。標題為編者所加。


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《凝膠推進劑霧化的實驗與SPH數值模擬研究》

強洪夫 等 著

北京:科學出版社,2019.3

ISBN 978-7-03-060011-0

責任編輯:宋無汗 趙微微



凝膠推進劑是一類新型推進劑,具有能量密度高、安全性好、能長期貯存等優點。由于同時具備了液體推進劑和固體推進劑的優點,凝膠推進劑成為當前推進技術研究的新趨勢,霧化問題是凝膠推進技術的關鍵問題之一,對其進行研究具有重要的科學價值和實際意義。本書是論述凝膠推進劑霧化實驗及其數值模擬的一本專著,將為凝膠發動機霧化及燃燒過程的分析提供基礎,為該領域內學者的后續研究提供重要的參考。


本書可作為航空宇航專業的高年級本科生、研究生以及火箭發動機方面研究人員的教材或參考用書,也可供多相界面流和流體霧化領域內機械、土木、動力、水利、工程熱物理和航空航天等專業的科研人員閱讀。



(本期編輯:王芳)


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1 黃永義

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