离心喷嘴内外流场特征的数值模拟

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雅宝题库解析：
离心喷嘴是液体火箭发动机内常用的关键部件之一，其性能直接关系到发动机燃烧效率和稳定性。本文结合理论分析和数值模拟研究实际参数对单组元离心喷嘴内外流场特性的影响，详细解释实验观察到的现象，并致力于提高离心喷嘴的数值模拟的准确度和效率。在经典理论的基础上建立的考虑喷嘴内壁和气液界面的摩擦效应理论模型，并证明摩擦效应不足以体现背压对液膜厚度的影响。使用旋转轴对称模型模拟喷嘴内部流动，并使用网格自适应技术增加气液界面附近的网格密度，以得到清晰的气液界面。数值模拟表明：入口湍流强度增加使喷嘴内液膜轴向速度减小，而使液膜厚度增加；随燃烧室背压增加的气体密度使气液界面附近局部区域内的轴向速度减小，而使液膜厚度增加，液膜厚度的计算结果与实验数据吻合较好。使用三维网格对四种结构的喷嘴进行了内流场模拟，捕捉到旋流室内的螺旋形状的气核和不稳定气核的破碎过程。为分析数值模拟得到的喷口内静态波动现象，结合已有理论讨论了表面波相速度和平均轴向速度的相等关系。数值模拟结果与重力波理论的类比表明：表面波有与液膜平均轴向速度方向相反的相速度，波动在空间上保持静止；波动由喷嘴的过渡段台阶激励起；决定波动能量传播速度的群速度小于相速度使波动在台阶后的喷口段显现；表面波波长随背压的增加而减小。使用得到的表面波特性对已有实验观察进行了解释。通过对喷雾流场的数值模拟证明了背压增加喷雾锥向内收缩的首要原因是喷雾锥内外压差。根据数值模拟的喷雾场结果，将压力差表示为环境气体密度和液膜速度的简单关系式。在现有喷雾锥形状理论上，引入液膜内外压力差，对喷雾锥形状模型进行的扩展，得到了与实验结果相符的不同背压下的喷雾锥形状。数值模拟发现：液膜上在空气动力作用下产生波动的波长随背压增加而减小；破碎长度随背压增加而减小，破碎后液滴的运动轨迹也呈现大波动；液滴质量分布的均匀程度有先增加后减小的趋势。使用动态自适应八叉树网格对离心喷嘴出口外流场的一次雾化过程进行三维模拟，探讨Euler算法和耦合Euler-Lagrangian算法在离心喷嘴雾化模拟中的应用。使用Euler算法模拟得到的一次雾化结果进行可视化处理，通过逼真计算机渲染图像对喷雾场进行直观表述，并对不同背压下液滴的空间分布及液滴尺寸的概率密度分布进行探讨，得到背压增加总体液滴直径增加的规律。将耦合方法和Euler方法得到的喷雾流场进行比较，并研究耦合方法中的液滴向颗粒转换的极限体积取值对液滴分布结果的影响。使用Euler方法研究双喷嘴液膜和喷雾干涉的喷雾流场特征，将液滴直径和速度分布与单喷嘴的计算结果进行了比较，结果表明双喷嘴相互干涉除了影响液滴空间分布外，对整体液滴直径的概率密度分布影响很小。