凝膠的撞擊射流霧化DNS研究

《凝膠的撞擊射流霧化DNS研究》是依託廈門大學，由朱呈祥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：凝膠的撞擊射流霧化DNS研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：朱呈祥
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

凝膠的撞擊射流霧化極具非定常特徵，要深入理解其霧化機理就必須精確捕捉流體內部各處異性非牛頓粘性的時空域變化，但目前的實驗診斷方法仍無法捕捉凝膠離開噴嘴後的粘性特徵，RANS、LES、DES等常規數值手段也無法對兩相精細流動進行準確描述。因此，本項目將發展精細化直接數值模擬DNS工具，專門針對凝膠的撞擊射流霧化問題分析其非牛頓粘性特徵，並進而研究凝膠撞擊霧化的物理機制及霧化模態。具體包括：發展直接數值模擬DNS工具，並基於文獻實驗結果開展典型算例對比驗證；改變噴注參數分析凝膠的非牛頓粘性在流變及撞擊霧化過程中的變化，以及非牛頓粘性與流態轉變、剪下稀化特徵和噴注破碎品質之間的關聯，並深入分析其撞擊霧化機理；定義基於凝膠非牛頓粘性的本地無量綱參數，提出評判凝膠撞擊霧化模態的新定量準則。本項目的順利開展，將有望為凝膠推進劑在液體火箭發動機中的工程套用提供堅實的理論指導與技術支撐。

結題摘要

本項目研究目標是發展和運用精細化DNS數值方法，著重研究撞擊霧化過程中凝膠在離開噴嘴後的撞擊霧化全過程中其非牛頓黏性的變化，以及非牛頓黏性與流態轉變、剪下稀化特徵和噴注破碎品質之間的關聯。凝膠與牛頓流體的根本區別就在於其非牛頓黏性，在撞擊霧化時，凝膠內部剪下率的不均勻造成了黏性的各處異性，因此開展非定常黏性與凝膠撞擊霧化特徵的關聯是分析其霧化機理的基礎。改變凝膠撞擊霧化的噴注參數（包括射流的直徑比、速度比和噴嘴相對位置），研究不同噴注條件下非牛頓剪下稀化黏性的變化及其對凝膠撞擊霧化特徵的影響。通過對變噴注條件時凝膠內部力與力之間的平衡準則、剪下稀化黏性的時空域變化等的分析，研究凝膠的撞擊霧化機理。在此基礎上，對比研究不同噴注參數下的凝膠撞擊霧化模態，並初步分析不同撞擊霧化模態下凝膠內部本地非牛頓黏性的大小及規律性。從凝膠的各處異性非牛頓黏性角度出發，定義能夠表征流體局部不同流動狀態的本地無量綱參數，並研究本地無量綱參數與凝膠撞擊霧化模態的關聯。相較傳統無量綱參數而言，本地參數能夠深入凝膠內部去分析局部的流動狀態，這也體現出凝膠流變霧化研究的特點。依託定義的本地無量綱參數，提出評判凝膠撞擊霧化模態的新定量準則。基於本地無量綱參數的新準則在具備牛頓流體無量綱參數模態區分法精髓的同時，又能兼顧凝膠的本地非牛頓特性，因此利用本地無量綱參數對其撞擊霧化模態進行定量評判也更為準確。本項目研究可以為凝膠噴注參數的選取和最佳化以及凝膠霧化品質的提升奠定堅實的理論與工程基礎。項目研究期間，發表期刊論文11篇，授權專利2項，參與國內外學術會議交流2次，邀請3位國外專家來廈門大學講座。