凝胶的撞击射流雾化DNS研究

To better understand the breakup mechanism of non-Newtonian gelled propellants with a strong unsteady feature, it is necessary to accurately describe the spatial and temporal change of the liquid internal viscosity. However, the current experimental setups do not possess the ability to measure the non-Newtonian viscosity after the impingement. Numerical methods like RANS, LES or DES cannot describe the flow details in a decent way. Therefore, our proposal is exactly to solve this problem. We will investigate the property change of gelled propellants after impingement with our own-developed DNS tool, and analyze the influence of this property change on breakup mechanism. In detail, we will first develop the numerical tool, and validate it with classical cases from literature. A few parameters will be varied to examine their influence on the non-Newtonian viscosity and the impinging jet breakup. Meanwhile, the correlation among the shear-thinning viscosity, the flow state, the shear behavior and the breakup feature will be discussed. Finally, based on the non-Newtonian viscosity, a new method to determine the breakup mode of gelled propellants with impinging jet injectors will be proposed. The results of the current proposal will definitely promote the application of gelled propellants in liquid rockets.

凝胶的撞击射流雾化极具非定常特征，要深入理解其雾化机理就必须精确捕捉流体内部各处异性非牛顿粘性的时空域变化，但目前的实验诊断方法仍无法捕捉凝胶离开喷嘴后的粘性特征，RANS、LES、DES等常规数值手段也无法对两相精细流动进行准确描述。因此，本项目将发展精细化直接数值模拟DNS工具，专门针对凝胶的撞击射流雾化问题分析其非牛顿粘性特征，并进而研究凝胶撞击雾化的物理机制及雾化模态。具体包括：发展直接数值模拟DNS工具，并基于文献实验结果开展典型算例对比验证；改变喷注参数分析凝胶的非牛顿粘性在流变及撞击雾化过程中的变化，以及非牛顿粘性与流态转变、剪切稀化特征和喷注破碎品质之间的关联，并深入分析其撞击雾化机理；定义基于凝胶非牛顿粘性的本地无量纲参数，提出评判凝胶撞击雾化模态的新定量准则。本项目的顺利开展，将有望为凝胶推进剂在液体火箭发动机中的工程应用提供坚实的理论指导与技术支撑。

本项目研究目标是发展和运用精细化DNS数值方法，着重研究撞击雾化过程中凝胶在离开喷嘴后的撞击雾化全过程中其非牛顿黏性的变化，以及非牛顿黏性与流态转变、剪切稀化特征和喷注破碎品质之间的关联。凝胶与牛顿流体的根本区别就在于其非牛顿黏性，在撞击雾化时，凝胶内部剪切率的不均匀造成了黏性的各处异性，因此开展非定常黏性与凝胶撞击雾化特征的关联是分析其雾化机理的基础。改变凝胶撞击雾化的喷注参数（包括射流的直径比、速度比和喷嘴相对位置），研究不同喷注条件下非牛顿剪切稀化黏性的变化及其对凝胶撞击雾化特征的影响。通过对变喷注条件时凝胶内部力与力之间的平衡准则、剪切稀化黏性的时空域变化等的分析，研究凝胶的撞击雾化机理。在此基础上，对比研究不同喷注参数下的凝胶撞击雾化模态，并初步分析不同撞击雾化模态下凝胶内部本地非牛顿黏性的大小及规律性。从凝胶的各处异性非牛顿黏性角度出发，定义能够表征流体局部不同流动状态的本地无量纲参数，并研究本地无量纲参数与凝胶撞击雾化模态的关联。相较传统无量纲参数而言，本地参数能够深入凝胶内部去分析局部的流动状态，这也体现出凝胶流变雾化研究的特点。依托定义的本地无量纲参数，提出评判凝胶撞击雾化模态的新定量准则。基于本地无量纲参数的新准则在具备牛顿流体无量纲参数模态区分法精髓的同时，又能兼顾凝胶的本地非牛顿特性，因此利用本地无量纲参数对其撞击雾化模态进行定量评判也更为准确。本项目研究可以为凝胶喷注参数的选取和优化以及凝胶雾化品质的提升奠定坚实的理论与工程基础。项目研究期间，发表期刊论文11篇，授权专利2项，参与国内外学术会议交流2次，邀请3位国外专家来厦门大学讲座。