《非對稱液滴碰撞混合機理及聚合液滴燃燒特性研究》是依託天津大學，由孫凱擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非對稱液滴碰撞混合機理及聚合液滴燃燒特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孫凱
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
液滴碰撞廣泛存在於車用內燃機、船用柴油機、航空發動機及火箭發動機等動力裝置噴霧燃燒過程中。相比於傳統研究關注的兩個完全相同液滴間的碰撞，不同尺寸/物性的液滴碰撞是非對稱的，其動力學模式、混合機理及聚合液滴燃燒特性均具有顯著差異。本課題擬系統揭示不同熱力學邊界條件下液滴尺寸差異引起的幾何不對稱性、密度差異引起的慣性力不對稱性、粘性差異引起的能量耗散不對稱性、以及表面張力差異引起的馬拉高尼對流不對稱性綜合作用下的液滴碰撞動力學模式，建立非對稱碰撞的新控制參數及不同碰撞結果的理論預測模型，提出基於不對稱性匹配的液滴強化混合機制，並揭示各混合模式二元聚合液滴的蒸發與燃燒特性。本研究在理論層面將提高液滴碰撞和液滴燃燒的認識水平，豐富發展噴霧及燃燒理論，並為完善液滴碰撞、蒸發CFD模型提供理論依據；在套用層面對雙燃料內燃機、缸內噴水船機及自燃推進劑火箭發動機等動力裝置的噴射系統最佳化設計有重要指導意義。
結題摘要
本項目以雙燃料噴射發動機和自燃推進劑火箭發動機等動力裝置的燃料噴射過程為出發點，針對其中頻繁發生的非對稱（幾何、物性非對稱）液滴碰撞以及二元聚合液滴的蒸發與燃燒過程開展研究。首先利用實驗和 lattice Boltzmann 數值模擬等方法研究了尺寸/粘性/表面張力不對稱的液滴碰撞動力學。結果發現非對稱液滴碰撞將產生非對稱的液滴振盪變形並在一定條件下增強液滴內部混合，其中尺寸不對稱液滴碰撞後，內部將在撞擊“凹坑”徑向回縮流動和軸向慣性流動的作用下形成射流狀混合結構。減小大液滴的粘度後，兩種流動在粘性不對稱因素的作用下增強，進而起到強化射流狀混合的作用。在表面張力不對稱的作用下，液滴與液面無初速度融合過程出現由馬拉高尼效應引起的液滴破碎現象，其出現的理論預測模型(1-σ* )/√oh＞6.75。當液滴以一定速度撞擊低表面張力液面時，將會在馬拉高尼流動的作用下產生不同於撞擊同種流體液面的特徵現象，具體表現為在液面上方形成兩次破碎，而在液面下方形成渦環狀強混合結構。其中第一次破碎隨We數增大出現“未破碎-破碎-未破碎”的非單調變化，通過比較馬拉高尼流動與表面張力作用下液滴收縮流動的特徵時間，得到兩次模式轉化分界線的理論預測模型分別為Wed=68(σ*-0.4)^(1/3)、Wed=0.0065σ* (1-σ* )^4/oh^2+47，第二次破碎出現與否主要取決於基於液池的表面張力定義的無量綱數Wer，其次受到馬拉高尼流動過程中粘性耗散的影響,其理論預測模型為Wer=130+25(1-σ*)σ*，而液面下方的多層渦環結構則是由“凹坑”表面的毛細波向中心匯聚造成的，該毛細波傳播是馬拉高尼效應影響“凹坑”變形所引起的特有現象。本項目以單個液滴為對象研究二元液滴蒸發與燃燒特性，實驗發現並劃分了不同的閃急沸騰破碎模式：飛濺破碎和微爆，全面研究了燃油物性和加熱溫度對油滴破碎特性的影響，並揭示了微爆的兩種機制：劇烈的氣泡核化、生長、破碎導致的微爆和液滴相分離後某一組分快速汽化造成的微爆。在液滴傾斜撞擊超疏水壁面的研究中，探明了寬參數（撞擊角度、We數、Oh數、和壁面固相率）範圍下液滴傾斜撞擊超疏水壁面的反彈模式及背後的物理機制。在超疏水壁面上雙液滴融合彈跳的研究中，揭示了液滴融合彈跳的動力學模式，探究了液滴融合彈跳的影響因素，並基於潤濕理論提出判定液滴融合後是否彈跳的預測模型。
