凝胶推进剂撞击雾化特性及其机理研究

New gel engine has great application potential, especially as the power system for missile weapons and fast launch space vehicles. The impact nozzle system is an ideal atomization method for the gel propellant (power-law fluid) because of its simple structure and high atomization efficiency. Currently, the impact atomization characteristics of gel propellant is researched by experiments, but seldom theoretical calculations on the atomization mechanism. The project is investigated by theoretical-experimental method, i.e. a theoretical model of gel propellant spray is established and the gel simulant solution with different rheological parameters is used for experimental verification. The main objective of this project is to study the characteristics of liquid sheet, the generation mechanism of impact wave and the nonlinear breakup mechanism of liquid sheet. Finally, the intrinsic influence rules of gel rheological parameters and other physical parameters on spray characteristics are explored. The results of this project will promote the development of non-Newtonian fluid impingement spray, and provide necessary theoretical and technological supports for the design of gel engine spray system.

新型凝胶发动机在导弹武器和快速发射航天运载器的动力系统中有着巨大的应用潜力。撞击式喷嘴系统因其结构简单和较高的雾化效率，是凝胶推进剂（幂律流体）理想的雾化方式。目前，凝胶推进剂撞击雾化研究多局限于实验层面，很少涉及深层次的雾化机理。本项目利用理论与实验相结合的手段，建立凝胶推进剂喷雾理论模型，并利用不同流变参数的凝胶模拟液进行实验验证。重点围绕撞击液膜形成至破碎全过程，对液膜特性、撞击波产生机理和液膜非线性破碎机理进行系统研究，挖掘凝胶流变参数及其他物性参数对喷雾特性的内在影响规律。项目的研究成果旨在促进非牛顿流体撞击喷雾领域的发展，并为凝胶发动机喷雾系统的设计提供必要的理论支撑和技术储备。

本项目利用理论与实验相结合的手段对凝胶推推进剂雾化特性及其机理开展系统研究。首先建立了综合考虑射流截面非均一速度型，以及流动过程能量耗散的凝胶推进剂射流撞击喷雾理论模型，并分析获得凝胶流变参数对液膜的尺寸和速度特性的影响规律，另设计并搭建完成幂律流体射流撞击实验系统，选用3种不同浓度的凝胶模拟液开展5批次800余工况的雾化实验，对比结果表明实验所得液膜长度和宽度结果与理论曲线吻合较好。. 此外，为了研究射流撞击过程中波动的形成机理和特性，建立了考虑液膜法向截面速度型的线性稳定性模型，利用谱方法求解得到其表面波动的特性，并详细分析各影响因素（韦伯数、气液密度比、特征截面速度型、撞击角）对该表面波动的影响规律，结果表明：随着韦伯数的增大，扰动增长率和不稳定区域均明显增大，密度比对表面波的波长影响很小，表面波波长是撞击角的增函数，但随着撞击角的增大，扰动的增长率则是逐渐降低的。. 另外，将上述研究成果作为幂律流体液膜分析的初始、边界条件，结合Oldroyd-B幂律流体本构方程，求解得到幂律流体平面液膜不稳定性的二阶弱非线性摄动解，分析模型中共转、逆变、协变时间导数对不稳定性的影响，从而获得时间和空间模式的液膜波形演变曲线。通过着重分析幂律流体液膜典型的表面扰动形式、时间及空间模式等情况，获得液膜破裂的深层机理。. 通过本项目深层挖掘了凝胶流变参数及其他物性参数对喷雾特性的内在影响规律，为解决凝胶推进剂雾化难题有效途径的提出提供了必要的理论支撑和技术储备。