凝胶推进剂雾化的SPH数值模拟方法与实验研究

Gelled propellant is one kind of time-depended power-law non-Newtonian fluid. As a new kind of rocket propellant, gelled propellant has advantages of both liquid and solid propellant, which include high density, high combustion energy, high security, long reservation period, etc. However,compared with Newtonian fluid, the atomization of gelled propellant is a tough task. Thus, atomization problem is thought to be the key problem of gelled propulsion technology. SPH is a full Lagrangian particle method, and compared with the traditional mesh based method, SPH method used in this program has great advantages when dealing with problems of impingement and fragmentation . This program is to investigate atomization characteristics of gelled propellants using both experimental method and numerical simulating method based on SPH. The main content can be summarized into two points. Firstly, parallel SPH simulation method is to be constructed based on MPI method, which contains surface tension arithmetic and is able to simulate the atomization characteristics of gelled propellants. Secondly, experiments on the impingement of gelled propellants are to be carried out and quantitatively measured. The characterization methods of the liquid ligament will be studied. This program is aimed at providing efficient SPH simulation method and experimental research to simulate, quantitatively characterize the atomization of the impingement of gelled propellants, which can give instructions on the explanation of the atomization mechanism and the design of the atomization equipment, etc.

凝胶推进剂是一类新型推进剂，是时间依赖的幂律型非牛顿流体，其特征是具有高密度、高能量、高安全性及长期贮存的能力，兼具液体推进剂和固体推进剂二者的优点。但是，凝胶推进剂和一般流体相比更难雾化，雾化问题已成为困扰凝胶推进技术发展的关键问题之一。SPH方法是一种完全拉格朗日粒子方法，该方法能够避免传统网格法求解碰撞破碎等问题所面临的界面追踪难题，在处理雾化问题时具有明显优势。本项目拟对凝胶推进剂雾化特性开展SPH数值模拟方法及实验研究，主要内容包括：建立含表面张力模型的凝胶推进剂雾化并行SPH数值模拟方法；开展凝胶推进剂雾化的定量测量实验及液丝的表征方法研究。通过本项目研究，能够为凝胶推进剂雾化特性提供可靠的数值分析手段及有效的表征方法，为揭示雾化机理、改进雾化装置设计提供指导。

凝胶推进剂作为一种新型推进剂，由于其非牛顿流体的特性，雾化问题已经成为制约其发展的关键问题之一。本项目采用实验和SPH数值模拟两种方法对凝胶推进剂的雾化特性开展研究，首先制备了两种有机凝胶模拟液，分析测定了其流变模型及流变参数，设计了一系列实验工况来研究射流速度、撞击角度和胶凝剂含量对雾化特性的影响；提出了基于液丝平均长径比的凝胶推进剂撞击式雾化特性的表征方法；探索性的开展了固体含能颗粒对于凝胶推进剂流变及雾化影响的实验研究，提出了一种基于SIFT关键点匹配的雾化场速度计算方法，定量分析了雾化场速度及液膜特性；针对传统SPH方法在求解凝胶推进剂撞击式雾化时存在的局限性，发展了隐式时间积分格式的气液两相SPH方法和高效精确的表面张力SPH方法，基于Galerkin加权余量法和虚粒子法提出了两种有效地固壁边界施加模型，基于SPH方法的Lagrange粒子本质提出了一种粒子优化算法，研究了基于MPI的区域分解并行算法，在这些算法的基础上建立了新的完整的凝胶推进剂雾化SPH数值模拟方法并进行了数值计算，分析了液膜宽度、液膜破裂特性及液膜不稳定波特性等；最后针对凝胶液滴燃烧过程中的微爆现象，预先开展了微爆过程的数值模拟研究。.研究结果表明，雾化效果与射流速度和撞击角度成正比，与喷嘴直径和胶凝剂含量成反比；凝胶推进剂雾化时液膜形状具有几何相似性，液膜的长度和宽度与射流韦伯数成正比，液膜长宽比与撞击角度成反比，而液膜的表面积随撞击角度先增大后减小，并在撞击角为61度时液膜表面积最大，理论雾化率最高；凝胶推进剂的雾化效果随碳颗粒浓度的增大而降低，随碳颗粒粒径的增大而略有改善；采用新的SPH方法，精确捕捉到了凝胶推进剂在雾化过程中的变形破碎现象，分析得到的液膜宽度、液膜破裂长度和破裂频率、液膜不稳定波长和频率随无量纲数广义雷诺数、广义欧尼索数以及撞击角正弦值的变化趋势与实验结果比较一致，数值分析的最大误差不超过20%；数值模拟结果验证了SPH方法在求解凝胶推进剂雾化及燃烧问题上的有效性。.通过本项目的研究，揭示了凝胶推进剂雾化特性，找到了影响凝胶推进剂雾化效果的关键因素，发展了一种新的有效求解雾化问题的数值模拟方法，这些研究成果将对凝胶发动机喷注器的设计、改进胶凝剂配方以及发动机工作性能预测具有很好的指导作用。

内容获取失败，请点击重试