聚集状态下高温凝相颗粒粒径分布特性研究

导弹作高速机动时沿发动机轴向和侧向会产生很高过载，高过载会改变凝相颗粒的运动规律，使其在发动机局部高度聚集，导致颗粒粒径分布特性发生改变。凝相颗粒特性如何改变，是新型固体发动机研制中急需解决的关键基础科学问题。由于恶劣的环境影响，常规的光学测量手段无法直接应用于高温高压环境中，因而有关凝相颗粒的聚集碰撞过程以及凝相颗粒粒径分布特性知之甚少。本项目从这一问题物理本质出发，首先利用等压平衡原理，测量获得高温高压下固体推进剂燃烧后生成的凝相颗粒粒径分布特性，作为凝相颗粒聚集特性研究的初始条件。然后建立模拟凝相颗粒不同聚集状态的实验装置，测量获得不同聚集条件下凝相颗粒粒径分布特性，作为凝相颗粒的聚集碰撞结果。同时基于SPH方法，建立凝相颗粒碰撞聚合破碎计算模型，并与聚集状态下颗粒碰撞实验结果进行对比分析，验证计算模型的正确性。最后建立聚集浓度、环境压强与凝相颗粒粒径分布特性之间关系式。

凝相颗粒碰撞普遍存在于含金属推进剂的固体火箭发动机中，颗粒间的碰撞会对发动机的工作性能造成一定的影响，但由于其过程的复杂性，影响因素众多以及实验手段的缺乏，目前国内外对凝相颗粒的碰撞规律还缺乏认识，理论模型还不够完善。. 固体火箭发动机中影响凝相颗粒碰撞结果的主要因素分别为碰撞前的颗粒粒径、颗粒速度大小、碰撞角度和颗粒浓度；基于主要的影响因素，设计了一套可用于研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，该装置可以实现单一调节颗粒的碰撞速度、角度和浓度，并且能够对不同速度状态下的颗粒进行收集；通过数值计算获得了不同实验工况下的颗粒碰撞速度和浓度，为凝相颗粒碰撞实验的开展提供了基础条件。. 利用研制的实验装置，针对含铝复合推进剂，开展了凝相颗粒收集方法验证实验、非聚集状态下不同压强对颗粒粒径分布影响实验、不同颗粒浓度下粒子收集实验以及不同颗粒速度和碰撞角度对碰撞前后粒径变化影响的粒子收集实验，并采用分析手段对颗粒的形貌、成分和粒度分布进行了详细的分析，获得了凝相颗粒碰撞的基本规律，得到的主要结论如下：（1）随着压强的提高，燃烧室内凝相颗粒粒径分布由多峰分布向单峰分布变化，压强越高，单峰化程度越强；（2）聚集状态下颗粒间的碰撞聚合作用增强，聚集颗粒浓度越高，颗粒平均粒径越大；（3）相对速度小于1.5m/s的颗粒发生碰撞后，粒径小于2µm的颗粒会与其他颗粒发生聚合作用，体积率减小，2µm~10µm之间的颗粒体积率变化较小，大于10µm的颗粒体积率增加；（4）相对速度在3.8m/s~81.9m/s之间的颗粒发生碰撞后，粒径大于10µm的颗粒会发生破碎，体积率减小，2µm~10µm之间的颗粒体积率变化较小，粒径小于2µm的颗粒体积率会明显增加；（5）工作压强只影响聚集前的颗粒粒径分布，聚集后的粒径分布由聚集前的粒径分布及聚集方式决定。. 采用VOF方法跟踪气液两相及界面运动，求解不可压缩流动控制方程，对液滴在气相环境下的碰撞过程进行了直接数值模拟（DNS）。并开展了实验算例计算，获得了四种典型液滴碰撞结果：反弹、分离、破碎和聚合，与实验结果对比分析表明，计算结果总体趋势与实验结果一致。. 开展了液滴在固体表面脱落的实验研究，获得了液滴在固体表面脱落的大量实验结果，该项成果为发动机内流固耦合理论研究奠定了基础。