高温熔融液滴碰撞过程及模型研究

Alumina and aluminum fine particles in solid rocket motor are high temperature molten droplets, which collide with each other as flowing in the motor, changing the parameters as the diameter and velocity distributions of droplets, then it affects the performance of motor. This project employs experimental photographing, direct numerical simulation and theoretical method to investigate the collision of molten alumina and aluminum droplets with high temperature and its model. First, the effects of droplet size, size ratio, environmental pressure and combustion on droplet collision should be investigated experimentally and numerically. Analyzing all the data obtained by experiments and simulations, the mechanisms and resulting conditions of different outcomes will be obtained, and the effect mechanism of different factors on droplet collision will be revealed. On the basis of viscous fluid dynamics and droplet collision mechanisms, the droplet collisions will be modeled, including bouncing model, coalescence model, reflexive separation model, stretching separation model andparameter calculating model of satellite droplets. Embedding the collision models in the multi-physics numerical method of solid rocket motor to simulate the intern flow field of motor, it provides a more precise method for the prediction of motor performance and design.

固体火箭发动机中三氧化二铝和铝微粒为高温熔融液滴，在发动机内流动过程中会发生碰撞，导致液滴直径和速度分布等参数发生改变，影响发动机的正常工作性能。本项目采用实验拍摄、直接数值模拟和理论推导相结合的方法，针对高温熔融三氧化二铝和铝液滴碰撞过程及模型进行研究。首先通过实验拍摄和数值计算分别研究液滴尺寸大小、尺寸比、环境气体压强和燃烧对液滴碰撞的影响。分析总结研究结果，获得不同液滴碰撞结果类型的物理机理和形成条件，并揭示各因素对液滴碰撞的影响机理。基于粘性流体动力学理论和液滴碰撞机理，建立粘性液滴碰撞物理模型，包括液滴反弹模型、聚合模型、自反分离模型、拉伸分离模型以及分离后子液滴参数计算模型等。将粘性液滴碰撞模型嵌入固体火箭发动机多物理模型数值计算方法中，模拟考虑液滴碰撞发动机工作过程的内流场，为不同发动机工作性能预测和设计提供更准确的研究方法。

在固体火箭发动机实际工作环境中，Al/Al2O3液滴之间的碰撞，会导致液滴直径和速度分布等参数发生改变，影响发动机的正常工作性能。本项目通过实验研究、数值计算和理论建模等方法，针对高温熔融Al/Al2O3液滴碰撞过程与模型进行了深入、系统地研究。.研制了高温熔融液滴碰撞实验系统，获得了多种液滴碰撞结果类型，并结合直接数值模拟方法及理论分析获得了液滴尺寸参数及环境压强对碰撞结果的影响规律：.（1）实验获得了不同尺寸大小、尺寸比下，液滴对心碰撞聚合、追击碰撞聚合、偏心碰撞拉伸聚合、近距离接触聚合、拉伸旋转分离等结果类型；.（2）Oh数控制液滴碰撞结果类型区域分布，随着Oh数增大，反弹及自反分离的临界We数均逐渐增大，聚合区域明显扩大；.（3）随着两个液滴直径比γ的增加，小液滴变形程度类似，大液滴变形程度相对较小，液滴碰撞反弹区域减小，聚合区域两侧均明显扩大，液滴碰撞需要更高的We数才能发生自反分离；.（4）环境压强较低时，随着压强升高，液滴反弹临界We数逐渐增大，压强升高对自反分离区域及拉伸分离区域的影响不明显。环境压强较高时（≥3MPa），不同环境气体压强下的液滴碰撞临界We数相差不大。.由于实际发动机工作中Al/Al2O3液滴碰撞伴随着燃烧过程，本项目研制了一套燃烧状态液滴碰撞实验系统，获得了燃烧液滴碰撞聚合、反弹等结果类型，分析获得了燃烧对液滴碰撞结果的影响规律。结果表明燃烧液滴碰撞过程中，液滴火焰外层气流对液滴的接触阶段有阻碍作用，而且会大大缩减液滴的接触时间。.本项目还开展了范德华力对液滴碰撞结果影响的数值研究，将现有的范德华力模型嵌入到计算程序中，获得修正的范德华力模型。.最后建立了高温高粘度高表面张力熔融液滴碰撞反弹、聚合、自反分离、拉伸分离以及分离后子液滴参数计算等预测模型，为发动机工作性能预测和设计提供更准确的研究方法。