压力振荡环境下推进剂液滴蒸发过程动态响应特性研究

推进剂液滴蒸发过程可能是液体火箭发动机不稳定燃烧的最主要激励因素。本项目在已取得推进剂液滴蒸发过程对常温低频压力振荡动态响应特性的基础上，利用先进的阴影、纹影等光学测量方法，研究压力振荡环境下，由于蒸发而引起的液滴周围密度梯度的动态变化过程；利用分子动力学模拟方法，从微观层次上揭示压力振荡对气液界面特性以及蒸发相变过程的影响规律；综合对比试验结果与分子动力学模拟结果，深入研究液滴蒸发过程对压力振荡的动态响应特性，结合非平衡热力学、非线性动力学及传热传质理论，建立压力振荡环境下推进剂液滴蒸发过程的非稳态模型。所建模型可直接应用于液体火箭发动机不稳定燃烧的机理分析与仿真计算，为建立液滴蒸发过程对液体火箭发动机不稳定燃烧的激励机理及其相互作用机制提供重要理论依据。研究成果也可应用于与液体燃料燃烧不稳定性有关的其它领域。

液滴蒸发过程可能是导致液体火箭发动机不稳定燃烧的主要激励因素。然而对于液滴在非稳态条件下，特别是压力振荡环境下的蒸发响应特性缺乏深入认识。因此，本项目采用实验与建模仿真相结合的方法开展了压力环境对于推进剂液滴蒸发影响规律的研究。设计了压力环境下燃料液滴蒸发实验系统，开展了煤油等燃料液滴的蒸发实验研究，分析了环境压力、温度、对流速度对液滴蒸发特性的影响；建立了压力振荡环境下运动液滴蒸发过程的准稳态模型，分析了液滴蒸发过程对低频压力振荡的响应特性，发现液滴蒸发过程对低频压力振荡幅值、振荡频率比较敏感；采用全瞬态高压蒸发模型，在考虑液滴内部流动、高压气液平衡、气相溶解及物理属性修正等高压非理想因素条件下，仿真分析了喷雾液滴高压非稳态蒸发特性，得到了环境条件及各种高压非理想因素对液滴生存时间、内部环流及传热的影响规律。研究成果为从液滴蒸发角度分析不稳定燃烧激励机理提供了重要的模型依据。在此基础上，在国内首先探索性地开展了凝胶液滴蒸发和着火燃烧过程的实验和建模研究。