《超臨界環境下自由射流剪下層的時空穩定性》是依託北京航空航天大學，由富慶飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超臨界環境下自由射流剪下層的時空穩定性
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：富慶飛
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超臨界自由射流剪下層流動穩定性對液體火箭發動機燃燒室內推進劑的噴注及摻混過程有重大影響，開展該問題的研究具有重要的套用背景和學術價值。本項目以超臨界氫/氧同軸射流剪下層為研究對象，開展時空模式穩定性和失穩模式研究。考慮真實氣體效應以及剪下層平均流的速度型、溫度和密度分布，採用正則模形式的小擾動分析方法對流動控制方程、邊界條件和超臨界流體狀態方程進行線性化，並使用譜方法數值求解關於擾動波數和頻率的特徵值問題。預測超臨界剪下層不穩定波長和頻率，分析超臨界流體物性參數、流動參數等對剪下層穩定性的影響，考察優勢失穩模式，分析造成不同失穩模式的物理本質，找出絕對/對流不穩定之間相互轉換的參數邊界。本項目以揭示超臨界自由射流剪下層的失穩機理為目標，探索剪下層流動穩定性對摻混過程的影響規律，為氫氧噴注器設計提供理論依據和指導。
結題摘要
當今世界各國的大推力液體火箭發動機，其燃燒室工作壓力和溫度大都高於推進劑的臨界壓力和溫度，使得推進劑在進入燃燒室後部分呈現超臨界流體的性質。因此，開展熱力學超臨界自由射流剪下層流動穩定性的研究具有重要的套用背景和學術價值。本項目以超臨界射流剪下層為研究對象，開展了時/空模式穩定性分析和失穩模式研究。超臨界流體等壓線上存在一個拐點，當溫度跨越這個拐點時，流體的可壓縮係數以及密度變化將非常劇烈，這種情況下仍然使用理想氣體假設將帶來較大偏差。本項目使用Soave-Redlich-Kwong狀態方程（SRK方程）來考慮非理想的真實氣體效應，並考慮剪下層平均流的速度型、溫度和密度分布，採用正則模形式的小擾動分析方法對流動控制方程、邊界條件和超臨界流體狀態方程進行線性化，並使用譜方法分別在時間模式、時空模式和空間模式下數值求解關於擾動波數和頻率的特徵值問題。結果表明，所建立的模型能預測超臨界剪下層不穩定波長和頻率，並分析了超臨界流體物性參數、流動參數等對剪下層穩定性的影響。影響剪下層穩定性的主要因素為：速度比、密度比、由於靠近臨界點熱力學性質劇烈變化引起的大密度梯度、以及密度梯度極值點與速度梯度極值點之間的橫向距離等。具體影響規律需結合實際工況中的溫度範圍以及具體溫度分布路徑進行分析。通過考察優勢失穩模式，分析造成不同失穩模式占優的物理本質。結果表明，在某些工況下，改變某些無量綱參數會導致剪下層從對流不穩定轉換為絕對不穩定，並找出了絕對/對流不穩定之間相互轉換的參數邊界。此外，還建立了一種使用漸進方法分析考慮速度分布的超臨界液膜穩定性的方法。在亞臨界液膜的控制方程中持續減小表面張力（即增加韋伯數），當韋伯數增加到足夠大時，液膜穩定性的解將逐漸逼近一個固定值，此值即為超臨界狀態下的解。本項目以揭示超臨界自由射流剪下層的失穩機理為目標，探索了剪下層流動穩定性對摻混過程的影響規律，將為大推力火箭發動機噴注器設計提供理論依據和指導。
