水液滴在高温超音速气体射流作用下的传热相变机理研究

Water droplets were usually injected into hot supersonic jet to weaken the jet associated hazards in aerospace launch fields. But the heat transfer and phase change mechanism of the water droplets into hot supersonic jet is still unclear. The theory analysis, numerical simulation and experimental research about the heat transfer and phase change of a water droplet into hot supersonic jet will be carried out to establish a theoretical model. And a numerical method including the phase change of a water droplet will be established based on the discrete phase model through the secondary development of FLUENT. Based on the numerical simulation and experimental research, the influence mechanism of the dynamics, collision and broken or coalescent of the water droplets into hot supersonic jet to the heat transfer and phase change of the water droplets will be obtained. And an unsteady three dimensional multi-species gas liquid two phase numerical method including the phase change of water droplets will be established combined with the numerical method of the heat transfer and phase change of a water droplet. The law of the water droplets cooling the hot supersonic jet can be obtained through numerical simulation with the above numerical method. The heat transfer and phase change mechanism of the water droplets into hot supersonic jet and the law of the water droplets cooling hot supersonic jet can not only be obtained, but a cheap and reusable hot supersonic jet generator can be established to make more experiments about hot supersonic jet.

航天发射领域的很多场合都存在水液滴注入高温超音速气体射流，以减弱射流伴生危害的应用，但是水液滴在高温超音速气体射流作用下的传热相变机理仍未阐明。本项目在对单个运动水液滴在高温超音速气体射流作用下的传热相变机理进行理论分析、数值模拟及实验研究基础上，建立单液滴传热相变理论模型，借助计算流体力学软件FLUENT的二次开发接口，耦合离散相模型建立数值计算方法；通过数值模拟和实验，研究喷射液滴束在高温超音速气体射流作用下的运动、碰撞、破碎或融合对液滴传热相变过程的影响机制，结合单液滴传热相变数值计算方法，建立三维非定常多组分气液两相含喷射液滴束相变流场的数值计算方法；基于上述计算方法，开展喷射水液滴束对高温超音速气体射流降温机制的数值模拟研究。项目的研究不仅可阐明水液滴在高温超音速气体射流作用下的传热相变机理，揭示注水降低燃气射流温度的机制，同时可为燃气射流实验提供一种可行的低成本方法。

液滴冲击高温高速气体或固体表面所产生的复杂流动现象具有明确的工程应用背景（航空航天、工农业）和重要的学术价值（液滴动力学、界面流动）。本课题以该现象为研究对象主要完成了三个方面的研究：1）针对液滴冲击运动表面形成的非对称飞溅问题，采用高速摄影技术，经过大量的试验研究发现液滴在切向速度作用下形成的上游强化飞溅可以通过降低环境气体压力而得到抑制，并获得了不同液滴直径、冲击速度、粘性、表面运动速度下抑制飞溅所需的临界值；基于空气动力学解释了液滴非对称飞溅及其抑制机理，通过扩展一个最近提出的求解液滴冲击光滑静止表面后飞溅临界值的模型，使其可以包含表面运动速度的影响，成功将在一系列试验条件下获得的临界值坍缩到一条曲线上。该研究结果清楚表明空气动力是影响液滴飞溅的关键因素。2）针对航空航天和工农业应用中广泛存在的表面粗糙度对液滴飞溅的影响问题，通过大量的实验，发现了一个前人研究共识 （粗糙表面增强微液滴飞溅而抑制皇冠型飞溅）的反例，即小粗糙度表面可以触发皇冠型飞溅，同时若进一步增加或者降低表面粗糙度，该皇冠型飞溅均将被抑制为微液滴飞溅，这使得表面粗糙度对于液滴皇冠型飞溅的影响呈现非单调的特性；在不同的表面粗糙度、粗糙形态、液滴表面张力、液滴大小条件下，获得了液滴形成微液滴飞溅和皇冠型飞溅的临界值，结果表明小粗糙度表面增强高表面张力液滴的飞溅，而对低表面张力液滴的飞溅影响较小，与前人共识一致，大粗糙度表面增强微液滴飞溅而抑制皇冠型飞溅；通过实验解释了小粗糙度表面增强高表面张力液滴飞溅的机理，即大表面张力液滴的润湿直径随粗糙度增加而降低。本项研究表明液滴润湿面积可显著影响液滴飞溅。3）针对水液滴撞击导流面成膜过程开展了数值模拟，获得了液膜在不同条件下的铺展规律。4）针对液滴束撞击高温气体开展了大量的数值模拟研究，获得了不同条件下液滴喷射模式与高温气流温度降低的关系。