冪律流體自由流動平面液膜穩定性及破裂行為研究

《冪律流體自由流動平面液膜穩定性及破裂行為研究》是依託北京航空航天大學，由楊立軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：冪律流體自由流動平面液膜穩定性及破裂行為研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：楊立軍
• 項目類別：面上項目

項目摘要

凝膠推進劑（冪律流體）霧化在航天動力裝置中有著重要的套用，關於冪律流體霧化機理的認識還較為缺乏，開展冪律流體自由流動平面液膜的穩定性和破裂行為的研究，具有重大的套用背景和學術價值。本項目採用理論和實驗相結合的手段，研究冪律流體自由流動平面液膜的穩定性和破裂模式，從理論上開展液膜在時間、時空和空間模式下的線性穩定性分析，推導三種模式的色散方程並進行數值求解；研究物性參數、流動參數等對液膜穩定性和失穩模式的影響，找出絕對/對流不穩定、對稱/反對稱模式的轉換曲線；通過系統的實驗研究，找出各種失穩和破裂模式在雷諾數-韋伯數空間上的分布區域，以及物性參數、流動參數對各種模式的影響規律；並與理論分析結果進行對比，驗證線性穩定性分析結果，提出預測模型的有效修正方法。本項目以揭示冪律流體自由流動平面液膜的失穩及破裂機理為目標，力爭對冪律流體霧化機理進行全面認識，為實際套用提供理論依據和指導。

結題摘要

凝膠推進劑兼具液體和固體火箭推進劑的優點，在航天動力裝置中有著十分誘人的套用前景。流變性使凝膠推進劑具有很高的粘度，難以霧化，而且凝膠的霧化特徵與牛頓流體有很大的不同，目前對凝膠推進劑的霧化機理了解很少。由於凝膠推進劑呈現非牛頓冪律流體的性質，即剪下粘度隨著剪下率的增加而降低，因此本項目提出對冪律流體射流的失穩及破裂這一物理過程進行理論與實驗研究，以加深對凝膠推進劑霧化機理的認識。具體地，本項目提出了基於動量積分方法的線性穩定性分析，分別針對冪律流體平面液膜、圓柱射流、圓環液膜的失穩特性展開了研究，經過對各自色散方程的推導及求解獲得了相關流體物性參數及流動參數對穩定性的影響規律。結果顯示，較大的氣液相對速度、氣體粘度、周圍氣體密度有利於流動失穩，而表面張力、流體稠度係數、冪律指數則不利於流動失穩。再者，本項目針對圓孔、橢圓孔冪律型流體射流撞擊形成液膜這一過程開展了理論與實驗研究。其中，對於圓孔冪律型流體撞擊，本項目提出了一個改進的冪律模型，並進而確定了液膜的撞擊特性。通過實驗對比分析，結果顯示理論分析與實驗數據在低速射流情況下吻合很好；對於高速射流撞擊，由於液膜邊緣出現的不穩定現象，導致理論與實驗結果之間存在一定偏差。此外，理論預測的液膜邊緣直徑與實驗結果基本吻合。進一步，本項目重點討論了流變參數對撞擊液膜特性的影響，結果顯示隨著稠度係數和冪律指數的增加，液膜迅速收縮，並且其厚度和速度也逐漸增大。對於橢圓孔冪律型流體撞擊，本項目基於橢圓形射流振盪方程提出了一個改進的橢圓孔撞擊模型，從而獲得了撞擊液膜的尺寸及厚度分布特性，並進行了實驗驗證。在此基礎上分析了流變參數對液膜特性的影響規律。本項目的研究成果對認識非牛頓流體凝膠推進劑的失穩破碎機理具有重要的學術價值和工程套用意義，並進一步為凝膠推進劑火箭發動機的噴注器設計及霧化效果改善提供了理論指導。