幂律流体自由流动平面液膜稳定性及破裂行为研究

Gelled propellant (power-law liquid) is of great importance in the field of aerospace propulsion application. But up to now very little is known about the atomization mechanism of the power-law fluid. It is of both great practical and theoretical interest to study the stability and brekaup behavior of free flow planar power-law liuqid sheet. It is planned to study the stability and breakup behavior of free flow power-law liquid sheet in this project theoretically and experimentally. The linear stability analysis under temporal, spatial and temporal-spatial mode will be performed and the dispersion relations for these three modes will also be deduced and solved numerically. The effect of physical property parameters and flow parameters on the stability and destabilizing modes of liquid sheets will be discussed. The transition boundaries for absolutely/convectively unstable and axisymmetric/asymmetric mode will also be found out. Through experiments, the distribution region of different destabilizing modes and breakup modes in the Weber number/Reynolds number space will be discovered. The influence of physical property parameters and flow parameters on the destabilizing modes will be found. The theory of linear stability analysis can be verified and the theoretical prediction model can be modified by comparison of experimental results and theoretical results. This project aims at finding out the destabilizing and breakup mechanism of the free flow planar power-law liquid sheets, to provide theoretical basis for pratical applications.

凝胶推进剂（幂律流体）雾化在航天动力装置中有着重要的应用，关于幂律流体雾化机理的认识还较为缺乏，开展幂律流体自由流动平面液膜的稳定性和破裂行为的研究，具有重大的应用背景和学术价值。本项目采用理论和实验相结合的手段，研究幂律流体自由流动平面液膜的稳定性和破裂模式，从理论上开展液膜在时间、时空和空间模式下的线性稳定性分析，推导三种模式的色散方程并进行数值求解；研究物性参数、流动参数等对液膜稳定性和失稳模式的影响，找出绝对/对流不稳定、对称/反对称模式的转换曲线；通过系统的实验研究，找出各种失稳和破裂模式在雷诺数-韦伯数空间上的分布区域，以及物性参数、流动参数对各种模式的影响规律；并与理论分析结果进行对比，验证线性稳定性分析结果，提出预测模型的有效修正方法。本项目以揭示幂律流体自由流动平面液膜的失稳及破裂机理为目标，力争对幂律流体雾化机理进行全面认识，为实际应用提供理论依据和指导。

凝胶推进剂兼具液体和固体火箭推进剂的优点，在航天动力装置中有着十分诱人的应用前景。流变性使凝胶推进剂具有很高的粘度，难以雾化，而且凝胶的雾化特征与牛顿流体有很大的不同，目前对凝胶推进剂的雾化机理了解很少。由于凝胶推进剂呈现非牛顿幂律流体的性质，即剪切粘度随着剪切率的增加而降低，因此本项目提出对幂律流体射流的失稳及破裂这一物理过程进行理论与实验研究，以加深对凝胶推进剂雾化机理的认识。具体地，本项目提出了基于动量积分方法的线性稳定性分析，分别针对幂律流体平面液膜、圆柱射流、圆环液膜的失稳特性展开了研究，经过对各自色散方程的推导及求解获得了相关流体物性参数及流动参数对稳定性的影响规律。结果显示，较大的气液相对速度、气体粘度、周围气体密度有利于流动失稳，而表面张力、流体稠度系数、幂律指数则不利于流动失稳。再者，本项目针对圆孔、椭圆孔幂律型流体射流撞击形成液膜这一过程开展了理论与实验研究。其中，对于圆孔幂律型流体撞击，本项目提出了一个改进的幂律模型，并进而确定了液膜的撞击特性。通过实验对比分析，结果显示理论分析与实验数据在低速射流情况下吻合很好；对于高速射流撞击，由于液膜边缘出现的不稳定现象，导致理论与实验结果之间存在一定偏差。此外，理论预测的液膜边缘直径与实验结果基本吻合。进一步，本项目重点讨论了流变参数对撞击液膜特性的影响，结果显示随着稠度系数和幂律指数的增加，液膜迅速收缩，并且其厚度和速度也逐渐增大。对于椭圆孔幂律型流体撞击，本项目基于椭圆形射流振荡方程提出了一个改进的椭圆孔撞击模型，从而获得了撞击液膜的尺寸及厚度分布特性，并进行了实验验证。在此基础上分析了流变参数对液膜特性的影响规律。本项目的研究成果对认识非牛顿流体凝胶推进剂的失稳破碎机理具有重要的学术价值和工程应用意义，并进一步为凝胶推进剂火箭发动机的喷注器设计及雾化效果改善提供了理论指导。