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煤油凝膠燃料二次霧化特性研究

時間:2019-04-28 11:06來源:畢業論文
為了研究煤油凝膠液滴的二次霧化特性,以煤油凝膠和煤油為工質,對在均勻氣體射流中液滴的破碎過程進行了實驗研究。

本文以凝膠推進劑的二次霧化特性作為研究對象。凝膠推進劑具有廣闊的發展和應用前景,在推進劑的燃燒過程當中,破碎和霧化過程是非常關鍵以及重要的。由于國內外對于凝膠的二次霧化研究極少,因此設計實驗完全依靠自己的經驗進行探索和實踐進行。
實驗首先根據所需研究方向所需的研究數據進行實驗臺的設計以匹配實驗目的,進而制備出不同性質的凝膠材料,以完善實驗對照組和控制組織間的相互關系。通過實驗記錄有關數據并進行分析。lf0048
    關鍵詞  凝膠推進劑  實驗臺設計  凝膠制備   Tab模型
    目   次
1  緒論    1
1.1 凝膠推進劑的優點 1
1.2凝膠推進劑的研究進展 1
1.3 二次霧化研究進展 3
1.3.1牛頓流體的二次霧化 3
1.3.2非牛頓流體二次霧化 6
2  實驗臺與煤油凝膠  9
2.1 二次霧化實驗臺設計   9
2.1.1 氣流通道及凝膠液滴生成器  9
2.1.2 PIV測試系統    14
2.2 煤油凝膠制備與流變測量  15
2.2.1 SiO2/航空煤油(RP-1)凝膠的制備  15
2.2.2 流變測量    16
2.3 本章小結  19
3  煤油液滴變形與振蕩    20
3.1.1 液滴變形模型   20
3.1.2 TAB方程 21
3.1.3粘性模型 22
3.2  實驗結果及與理論對比   23
4. 破碎分析   25
4.1  形態及分布   25 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live
4.2  破碎特征分析(破碎時間,Dmax)    25
5 結論 28 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

致  謝 29
1  緒論 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

進入21世紀以來,各國的航天與軍事科技的競爭愈發的激烈。這種競爭催生出的新的航天及軍事任務更具新穎性,更復雜,這導致傳統技術的短板逐漸顯現,于是新技術應運而生并逐步發展。發動機技術的發展同樣遵循著這種趨勢。傳統的固體和液體推進劑火箭發動機存在著固有的優勢與劣勢:固體推進劑密度大、易于存儲和運輸、相對較安全,但比沖低,難以實現推力調節及二次啟動;液體推進劑可以實現推力調節與二次啟動,比沖也較高,但推進劑易燃、易爆,不便存儲。凝膠推進劑兼具固體推進劑便于運輸貯存和液體推進劑推力可調、效率高、可二次啟動的優點,是目前各國火箭推進劑領域研究的熱點。 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

1.1 凝膠推進劑的優點 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

凝膠推進劑是向液體推進劑中加入一定量膠凝劑,使液體凝膠化,同時再加入一些固體顆粒(金屬或非金屬)后形成的具有一定特性和穩定結構的混合凝膠體系。該種推進劑屬于非牛頓流體,其剪切黏性隨著剪切速率的改變而改變,一般呈現受剪切而變稀的特點。與固體推進劑和液體推進劑相比具有如下優勢:
(1)安全性:與液體推進劑比較,凝膠推進劑的屈服應力特征可以減緩運輸或者貯藏過程中的燃料泄露。凝膠推進劑的內部存在網狀結構可以抑制其蒸發,減少有毒燃料的危害。當貯藏罐發生泄漏時,凝膠推進劑和氧化劑不能相互混合,反應只會發生于接觸面上,大大減小了其危害。與固體推進劑相比,凝膠推進劑對沖擊、摩擦和靜電不敏感,使得在生產、運輸和操作中的安全性。
(2)高能性:凝膠推進劑本身的能量與一般的液體推進劑相似,但是可以在其中加入一定量的金屬顆粒,如目前較常見的鋁基和硼基凝膠推進劑。這樣既可以提高推進劑的能量,也增加了推進劑的密度比沖。同時,受剪切時能夠像液體推進劑一樣流動,從而具有了與其相當的能量分配與管理,實現推力調節。
(3)貯藏性:相關研究已經證實,凝膠推進劑可以保存10年以上。膠凝結構也比早期的漿體推進劑更為穩定,不易發生變質和顆粒沉降。 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

1.2凝膠推進劑的研究進展 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

美國在上個世紀50年代開始大規模研究凝膠燃料(含硼和含鎂漿料的烴類燃料),主要應用于沖壓發動機[1]。在之后的60年代,美國空軍研制了添加了鋁顆粒的肼凝膠推進劑,而與此同時美國海軍也研制了肼和硝酸雙組元凝膠推進劑。在70 年代美國國防部進行了自燃式雙組元凝膠推進劑的研發工作,重點放在肼衍生物的凝膠燃料與紅色發煙硝酸的凝膠氧化劑的組合方面。美國NASA的路易斯研究中心在20世紀80年代對液氫/鋁粉/液氧組合和單甲基肼/鋁粉/四氧化二氮組合在航空航天運載系統中的適用性進行了論證。結果顯示:由于推進劑密度和能量變大,貯箱體積得以縮減。消極質量的減少使得發射載重量增加了19%。另外,發射成本也大大降低[1]。2007年,美國提出開發含納米膠凝劑的凝膠推進劑。該種推進劑不僅減少了膠凝劑的含量,還提高了推進劑的密度比沖[1~3]
除了美國,世界其他國家和地區也在進行著凝膠推進劑的研究工作。2007年,德國ICT研究院的研究人員通過調節ADN/水凝膠中AND的濃度,使得推進劑的比沖得到了明顯增加[1]
國內的相關研究起步較晚。符全軍等[4]分別以膠凝劑XH和SD制備了UDMH/NTO雙組元凝膠推進劑,采用Brookfield流變測試儀測試其流變性能均比較理想,通過初步發動機試驗證實SD顆粒在流動中會阻塞發動機毛細管,經過復合膠凝劑FH改進后,其氧化劑凝膠的流變性能較高[3]。劉凱強等針對航空煤油和發煙硝酸凝膠化問題進行了系列研究,結果表明在適量表面活性劑、添加劑等存在的條件下,航空煤油可被羥丙基纖維素有效膠凝化,并且所形成的凝膠具有良好的熱穩定性[4]
由于凝膠推進劑的應用存在眾多理論和工程難題,所以目前只有美國和德國將凝膠推進劑應用到發動機中,并成功進行了點火試驗。1998年11月,由美國陸軍導彈司令部資助,FMTI(Future Missile Technology system)項目的承接方TRW公司在美國陸軍紅石兵工廠,對由甲基肼/抑制性紅煙硝酸組成的凝膠推進系統進行了點火試驗。1999年3月30日,在佛羅里達州埃格林空軍基地,該凝膠推進系統成功進行了試飛試驗,導彈飛行了51s,射程8Km,飛行中發動機點火5次[5]

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2009年12月,歐洲導彈集團(MDBA)下屬的德國拜爾公司成功進行了兩次新型凝膠推進劑助推導彈的演示試驗。兩枚導彈均飛行了約30s,射程為70Km[4]

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圖1 凝膠火箭發動機
2010年,以色列理工大學建立了實驗室級凝膠沖壓發動機實驗系統并進行了實驗。系統主要由3部分組成:熱氣供應系統、沖壓燃燒室以及其他測試供應系統,如圖2所示。實驗測試了不同配比、有無金屬添加劑的碳氫化合物凝膠推進劑的霧化、點火和燃燒性能[6,7]源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live


圖2 凝膠沖壓試驗臺及發動機點火

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1.3 二次霧化研究進展 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

霧化是在內外力的綜合作用下,液體的破碎過程。根據液體從噴嘴噴出后破碎機理和時空順序的不同,又可將霧化過程分為一次霧化和二次霧化。射流從噴嘴噴出后開始經歷初次霧化過程,該過程的標志是沿著連續液相表面出現帶狀、絲狀的不規則單元,液體單元尺寸通常在毫米或厘米量級。二次霧化過程發生在初次霧化過程之后:初次霧化產生的大尺寸液體顆粒單元在氣動力作用下減速,發生變形和破碎,產生尺寸量級在幾到幾百微米的細小霧化顆粒。二次霧化性能的好壞取決于初次霧化所產生的液滴尺寸和氣動力的大小,并最終決定了霧化場的顆粒尺寸分布[8]源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

1.3.1牛頓流體的二次霧化

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考慮到牛頓流體的特性:其剪切力與變形率呈線性關系,以牛頓流體為研究對象的二次霧化研究開展較早,并且取得了豐富的研究成果。二次霧化的研究是從液滴的形態學開始的,大部分文獻也是將液滴的變形過程作為重點研究內容。
1)液滴破碎
在前人研究工作的基礎上,Hsiang 和 Faeth根據在氣動力作用下的變形將二次霧化劃分為如下幾種模式(如圖3a)[9,10]源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live


圖3 液滴破碎模式及產生區間
振蕩破碎模式:由于液滴震動的振幅與液滴的自然頻率相當,液滴發生破碎,但只有少量的碎片被剝離出來。
袋狀破碎模式:液滴破碎前形成一個袋狀結構。中心的袋子很薄,袋口由相對較厚的液環構成。首先,袋子發生破碎,形成大量小液滴。隨后,液環發生破碎,形成的液滴尺寸相對較大。
多模式(也稱袋狀-雄蕊)破碎模式:該模式液滴形狀與袋狀破碎模式相似,只不過在袋子中心會形成一個與來流方向平行的雄蕊狀液核。與袋狀破碎模式類似,袋子先發生破碎,隨后液環和雄蕊液核發生破碎,產生大小不一的液滴。
剪切破碎模式:在氣流的不斷作用下,液滴表面的薄膜被不斷的剝離,最終導致液滴破碎,形成小尺寸的子液滴和大尺寸的液核。
爆炸破碎模式:在長波長和大振幅表面波的作用下,液滴表面產生褶皺,進而發生突然性破裂,產生少量大尺寸液滴碎片,隨后大尺寸液滴再碎裂成大量小尺寸液滴。
此外,他們還給出了二次霧化各個破裂模式的產生區間,如圖3b所示。從圖中可以看出,隨著Oh數的增大,液滴變得更加難以破碎。同時,理論和實驗研究均表明液滴破碎模式是韋伯數(We)和奧索格數(Oh)的函數,與其它參數無關。從圖中可知,在Oh<0.1時,曲線近似為水平線,即液滴破碎模式發生轉換時的We數近似為常數。對于牛頓流體,這種關系可用表1近似表示[11,12]
表1 破碎模式轉變對應的We數
為了使液滴發生二次霧化,We數必須大于某一個最小值,這個最小值稱為臨界韋伯數[13]。Brodkey最早在研究氣-液兩相系統時提出了臨界韋伯數(Wec):Wec=12(1+1.077Oh1.6) Oh<10[14]。Gelfand給出了類似的表達式:Wec=12(1+1.5Oh0.74) Oh<4[15]。上述兩個公式在Oh<0.1時具有很好的一致性,與圖3b的水平段對應。 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live
描述液滴破碎的另一個重要的物理量是時間間隔。為了更透徹地研究牛頓流體液滴的破碎機制,針對不同二次霧化模式,前人定義了不同的無量綱時間量:無量綱開始時間(Tini)和總時間(Ttot)。
Pilch and Erdman定義了Tini:液滴開始變形到完成變成扁圓形所需要的時間。Tini對于袋式破碎而言是從液滴開始變形到出現袋子為止的時間間隔。研究人員提出了不同的計算公式來估計Tini。在低Oh數下這些公式的計算結果相近(約為1.5)。
Pilch and Erdman[17]Ttot定義為:液滴破碎過程完全停止所需要的時間。對于Ttot,也有許多研究者提出了計算公式。當Oh數小于0.05時,Gelfand提出的公式與Hsiang 和Faeth提出的公式的結果誤差在10%以內[16]。此時,Ttot大約為5.0。
二次霧化研究的另一個領域是研究破碎液滴的尺寸和速度分布。Simmons[19]較早的進行了相關研究并且發現碎片的質量平均直徑(MMD)和索太爾直徑(D32)相關:MMD/D32=1.2,并且液滴直徑概率分布函數(PDF),f0(D)近似為根正規[17]
2)液滴破碎實驗
目前,進行二次霧化實驗研究通常采用兩種方法:激波管法和射流法。激波管法采用激波管來產生高速氣流,激波管中的液滴在氣流作用下發生破碎。激波管法具有產生的氣流均一性好的優點,理論分析和數值仿真的結果可以很方便的用激波管實驗來驗證。但是,由于激波管中的高低壓氣體體積一定,所以一般情況下產生的氣流持續時間較短。若想獲得比較長的氣流持續時間,就必須增大激波管尺寸,這限制了激波管的應用范圍。射流法是利用噴嘴來產生高速氣流。一般做法是將一個可產生穩定氣流的氣源裝置連接到噴嘴上,形成一股射流。滴入流場的液滴在該股射流的作用下發生破碎。射流法的優點是實驗裝置簡單,操作方便,而且產生的氣流持續時間長,也可以很方便與激光相位多普勒粒子分析儀(PDPA)等光學儀器配合。但是,液滴進入射流的時候,射流的邊界層會對液滴產生干擾,一般需要優化噴嘴和選擇合適的液滴入射速度來減少邊界層的影響[18]源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

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圖4 激波管法與射流法示意圖
基于上述的實驗方法,國內外的研究者針對液滴破碎開展了廣泛的實驗研究。Arcoumani等采用高速攝影技術,研究了在重力作用下自由下落的牛頓流體液滴在氣流中的破碎模式[19]。Hsiang[22]研究了常溫常壓空氣中液滴的變形破碎特性。研究發現對于所有的破碎模式,破碎后的液滴尺寸符合Simmons分布,索太爾直徑與一個特征液體邊界層厚度有關。Chou[23]對液滴垂直于氣流方向的長度與時間的關系進行了研究[21]。結果顯示此長度隨時間呈線性增加直到­Tini為止。這說明二次霧化中液滴首先經歷擠壓變扁的過程,而后發生破碎。
Cao X.K等采用射流法研究了常溫常壓下空氣中大尺寸液滴的破碎[22]。實驗中他們發現了一種新的液滴破碎模式,即雙袋式破碎模式。實驗的We數范圍在28-41之間,液滴的初始直徑為2-6mm,氣流速度為12-90m/s。雙袋式破碎的特征為出現兩個連續的袋式破碎過程。第一個袋式破碎是由初始液滴產生的,第二個袋式破碎是由第一個袋式破碎過程中形成的液核所產生的。他們將破碎過程分為四個階段:初始袋形成階段、初始液袋破碎階段、液核變形階段、液核破碎階段,并且研究了各個階段時間與We數之間的關系。
Joseph通過實驗研究了高We數和Re數粘性和粘彈性液滴在激波后高速氣流中的變形破碎過程[23]。在高We數下觀察到了袋式破碎和多模式破碎過程[24]。實驗結果顯示液滴的加速度為重力加速度的104-105倍,如此大的加速度使得變形后的扁平液滴極易受到R-T不穩定性的影響發生破碎。實驗得到的最不穩定R-T波與理論值完全一致。
國內,耿繼輝[26]利用方形激波管研究了激波誘導的二次霧化過程,分析了激波作用下的液滴加速、變形和破碎過程。結果顯示,在低We數下(弱激波),液滴變形結束時間增大,并且液滴的初始形狀對液滴的變形和破碎有明顯的影響。 源¥自%六^^維*論-文+網=www.aftnzs.live

煤油凝膠燃料二次霧化特性研究:http://www.aftnzs.live/jixie/20190428/32754.html
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