非对称液滴碰撞混合机理及聚合液滴燃烧特性研究

Droplet collision occurs frequently in power machineries such as automotive engines, marine engines, aircraft engines as well as liquid propellant rocket engines. Compared to the collision between two identical droplets, droplet collision with unequal-sizes or dissimilar properties is unsymmetrical, and the dynamics, mixing, and combustion characteristics are therefore largely different. The present project aims to systematically reveal the modes of unsymmetrical droplet collision at various thermodynamic conditions by taking into account the geometric asymmetry from unequal droplet size, the inertia asymmetry from different density, the energy dissipation asymmetry from dissimilar viscosity, as well as the Marangoni convection asymmetry from unlike surface tension, develop new control parameters and theoretical prediction models for the outcomes, propose mechanisms for facilitate mixing through matching asymmetries, and reveal the combustion characteristics of collision-merged bi-droplets. The present study will, on the fundamental level, gain more in-depth insights into droplet collision and combustion, enrich theories of spray atomization and combustion, and provide basis for improving droplet collision and evaporation CFD models, and on the practical level, provide guidance on the injection systems in dual-fuel engines, water direct injection marine engines as well as hypergolic rocket engines.

液滴碰撞广泛存在于车用内燃机、船用柴油机、航空发动机及火箭发动机等动力装置喷雾燃烧过程中。相比于传统研究关注的两个完全相同液滴间的碰撞，不同尺寸/物性的液滴碰撞是非对称的，其动力学模式、混合机理及聚合液滴燃烧特性均具有显著差异。本课题拟系统揭示不同热力学边界条件下液滴尺寸差异引起的几何不对称性、密度差异引起的惯性力不对称性、粘性差异引起的能量耗散不对称性、以及表面张力差异引起的马拉高尼对流不对称性综合作用下的液滴碰撞动力学模式，建立非对称碰撞的新控制参数及不同碰撞结果的理论预测模型，提出基于不对称性匹配的液滴强化混合机制，并揭示各混合模式二元聚合液滴的蒸发与燃烧特性。本研究在理论层面将提高液滴碰撞和液滴燃烧的认识水平，丰富发展喷雾及燃烧理论，并为完善液滴碰撞、蒸发CFD模型提供理论依据；在应用层面对双燃料内燃机、缸内喷水船机及自燃推进剂火箭发动机等动力装置的喷射系统优化设计有重要指导意义。

在内燃机、自燃推进剂火箭发动机等动力装置的燃料喷射过程中，液滴碰撞、聚合液滴蒸发/微爆、碰壁等现象频繁发生，深入认识其内在机理是优化调控喷雾燃烧过程的重要理论基础。. 本项目系统揭示了几何/粘性/表面张力不对称性作用下的液滴碰撞动力学特性及其内部混合机理。研究发现，对于不同尺寸液滴在有限Weber数下的碰撞混合过程，内部射流的形成需要两种流动结构，包括低Ohnesorge数下凹坑回缩过程中毛细力驱动的表面径向汇聚流，以及高We数下沿凹坑表面方向剩余惯性驱动的轴向流动，而较大/低粘液滴与较小/高粘液滴碰撞有利于产生该类射流强混合；对于不同表面张力液滴融合，融合结果随表面张力差的增大呈现出“部分融合”-“完全融合”-“部分融合”的非单调变化规律，“部分融合”发生的临界条件取决于马拉高尼流向上传播的特征时间和液滴在毛细压差下向液面回缩的特征时间之比；对于不同表面张力液滴/液面碰撞，马拉高尼效应会导致液面发生两次破碎、液面内产生多层涡环强混合结构，混合程度相比无表面张力差异的情况大幅提高，而低张力小液滴与高张力大液滴碰撞的系统更有利于液滴内部的混合。此外，研究还发现不同沸点二元液滴加热过程中，高温下表面活性剂失活则会导致粉碎性微爆，可大幅改善燃油雾化效果；对于液滴撞击壁面，通过引入撞击倾斜度、打破撞击对称性有利于液滴快速弹离超疏水表面，并理论获得了液滴自驱动弹跳的临界壁面条件以及对应最大弹跳速度的最优壁面条件。. 本项目研究深化了喷雾雾化中关键液滴物理过程的认识，有助于相关雾化模型的建立和完善，丰富发展了两相喷雾燃烧的基础理论，并且有助于从理论上指导凝胶自燃推进剂火箭发动机的喷射系统设计和燃料选型，通过促进喷雾场广泛发生非对称液滴碰撞从而提升发动机点火稳定性。