电场作用下超临界流体射流剪切层稳定性

The flow stability of supercritical shear layers in an electrical filed has great influence on the spray and mixing control of propellants in the high-pressure combustion chamber of liquid rocket engine. But up to now very little is known about the effects of electrical field on the destabilization of the shear layers. It is of both great practical and theoretical interest to study the stability of supercritical shear layers in an electrical field. It is planed to study the stability behavior of the supercritical shear layers in the electrical field both theoretically and experimentally in this project. The electrical force, real-gas effects and the velocity profile, density stratification, temperature profiles and component distribution will be taken into account in the analysis. The governing equations, basic equations of electricity, boundary conditions of flow and electricity, and equations of state for supercritical fluid will be linearized based on the normal mode perturbations. The eigenvalue problem of disturbance wave number and frequency will be solved with spectral method. The disturbance growth rate, the most unstable wavenumber and frequency of the supercritical shear layer will be predicted. The effects of electrical field parameters, physical properties and flow parameters on the stability of shear layer will be discussed. The dominant destabilizing modes will be detected and the effects of electrical field on the transition of absolute/convective instability will be discussed. The experiments will be conducted to verify the theory. This project aims at providing theoretical basis for a novel method for high-efficiency mixing of propellants in large thrust liquid rocket engine.

电场作用下超临界流体自由射流剪切层的流动稳定性对液体火箭发动机高压燃烧室内燃料的喷注及掺混控制技术有重要意义，关于电场在剪切层失稳过程中所起的作用还缺乏深刻的认识，开展该问题的研究具有重要的应用背景和学术价值。本项目拟开展电场作用下超临界自由射流剪切层稳定性分析以及实验研究。考虑电场力作用、真实气体效应以及速度型、密度分层、温度剖面和组分分布，采用正则模形式的小扰动分析方法对流动控制方程、电学基本方程、流动和电学边界条件以及超临界流体状态方程进行线性化，并使用谱方法数值求解关于扰动波波数和频率的特征值问题。预测超临界剪切层的扰动增长率、最不稳定波长和扰动频率，分析电场参数、流动参数以及超临界流体物性参数对稳定性的影响，考察优势失稳模式，重点探讨电场作用对绝对/对流不稳定性转换的影响规律，并进行实验验证。本项目将为大推力液体火箭发动机推进剂高效掺混探索一条新途径，并提供理论依据和指导。

该项目按照项目计划书制定的研究目标，完成了预期的全部研究内容。受资助期间，该项目的研究成果在流体力学领域权威期刊发表SCI论文15篇，包括多篇Journal of Fluid Mechanics和Physics of Fluids。被资助人在项目资助期间获得“国家优秀青年科学基金”资助。.被资助人以电场作用下超临界流体自由射流剪切层的流动稳定性为研究背景，提炼其中的科学问题，围绕电场作用下超临界自由射流剪切层稳定性、液滴的蒸发速率以及非定常电场作用下锥射流的实验等科学问题开展研究，取得了一系列研究成果。考虑电场力、密度分层、温度剖面等作用，采用正则模形式的小扰动分析方法求解描述本问题的色散方程。分析预测电场参数、流动参数对超临界剪切层的扰动增长率、最不稳定波长的影响；利用数值模拟的方法，研究了超临界条件下恒定电场以及交变电场作用对液滴蒸发速率的影响；利用实验研究的方法，定量研究了扰动电压幅值对射流振荡频率等参数的影响，并得到不同电雾化模式之间的相图。本项目为大推力液体火箭发动机推进剂高效掺混探索出一条新的途径。.基于对液体射流雾化的机理认识，发明了转换破裂模式的簧片式高效雾化喷嘴和多孔材料壁面的乳化型气膜减阻喷嘴；所发明的细水雾灭火喷头已在我国海军新一代舰艇成功列装580 套；并用于“神舟七号”KM6载人航天器训练舱，已可靠运行14年，为我国未来空间站灭火设计提供了重要参考；喷头还广泛应用于钢铁、电力等行业，在钢铁行业具有90%市场占有率。产品应用于三峡、西气东输等重大工程，外销至印度、土耳其等国家，累计产值30.4463亿元，利润3.56亿元。装备的喷头扑灭了大量火灾，灭火成功率100%，以某企业为例，2015-2016年共启动灭火8次，全部灭火成功，取得了重大的经济和社会效益。该项目成果作为第二发明点获得了2017年国家技术发明二等奖，被资助人为第二完成人。人才培养方面，共培养硕士研究生10人。参与编写的教材《液体火箭发动机推力室设计》获北京航空航天大学教学成果一等奖。本人获航空宇航学科全国优秀博士论文。