航空航天科学与工程论文_航空煤油凝胶流变与喷

文章目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 制备研究现状

1.3 流变性能研究现状

1.4 凝胶喷注动力研究现状

    1.4.1 喷注器内流研究现状

    1.4.2 凝胶射流研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 煤油凝胶的制备与流变特性

2.1 材料与设备

    2.1.1 煤油凝胶配方

    2.1.2 实验设备

2.2 制备结果分析

2.3 流变特性及表征

    2.3.1 屈服与稳定性

    2.3.2 触变性

    2.3.3 剪切稀化特性

2.4 本章小结

3 锥形喷注器内部凝胶流动数值研究

3.1 模型与计算方法

    3.1.1 计算模型

    3.1.2 流动控制方程

    3.1.3 本构方程变换

    3.1.4 网格处理与边界条件

3.2 数值算例与验证

    3.2.1 航空煤油凝胶在直圆管流动的解析解

    3.2.2 理论解与数值解的对比验证

3.3 仿真结果与分析

    3.3.1 锥形喷注器出口等直管段长径比对喷注器内部流场的影响

    3.3.2 锥形喷注器收敛角度对喷注器内部流场的影响

3.4 本章小结

4 航空煤油凝胶射流扰动分析

4.1 实验测量与分析

    4.1.1 实验设备与模拟液

    4.1.2 射流实验结果分析

4.2 基于强剪切性凝胶的Yang式线性方法改进及扰动振幅计算

    4.2.1 Yang式线性方法在强剪切性凝胶的应用局限性

    4.2.2 改进方法与扰动振幅计算

4.3 计算结果与实验对比

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

文章摘要:航空煤油凝胶是在航空煤油中加入胶凝剂后形成的,具有稳定结构,相比航空煤油有不易泄漏及挥发,并且可以通过添加含能颗粒进一步增加能量密度的优势,在航空航天领域中有较高的应用前景。但航空煤油凝胶复杂的流变特性和喷注动力影响凝胶推进剂的雾化效果,进而影响推进剂的稳定燃烧和发动机的性能。因此,对航空煤油凝胶的制备和流变特性以及喷注动力开展相应的研究,促进航空煤油凝胶的广泛应用,具有重要的工程和科学意义。本文制备了多种航空煤油凝胶,并测量了其流变特性,对喷注器内部流动进行了数值仿真,搭建了航空煤油凝胶的单股射流实验台,并对其射流的扰动进行了线性分析。本文的主要研究工作包括:（1）利用胶凝剂和实验设备制备了无机型和有机型航空煤油凝胶,测量了屈服应力、触变性、粘度及稳定性,并用流变参数进行表征。结果表明:在本文研究范围内,纳米二氧化硅和一些有机型胶凝剂可以使航空煤油凝胶化,无机类和有机类胶凝剂具有不同的成胶机理,加热可以提高有机类航空煤油凝胶的成胶质量;制备的航空煤油凝胶均有一定屈服应力,屈服应力随胶凝剂含量的增加而增大;有机型航空煤油凝胶的屈服应力受胶凝剂含量的影响比无机型的小;航空煤油凝胶稳定性随胶凝剂含量增大而增大,随离心力的增大而减小,有机型航空煤油凝胶稳定性也比无机型好;航空煤油凝胶具有在短时间内粘度大幅度下降的触变特性;航空煤油凝胶粘度随胶凝剂的含量增大而增大,幂律指数n值随胶凝剂含量的增加而减小,稠度系数K未呈现出明确的变化规律。（2）运用交错网格的SOLA算法,进行了航空煤油凝胶在锥形喷注器内流动特性的数值计算,分析了喷注器出口等直管段长径比和收敛角度对喷注器内粘度场、速度场以及压力损失的影响。结果表明:在本文研究范围内,理论解与数值解具有较好的一致性,验证了所采用数值方法的有效性和适用性;锥形喷注器有利于航空煤油凝胶的剪切稀化;有无出口等直管段对锥形喷注器内部流场影响较大,出口等直管段的长径比对喷注器内流场的表观粘度影响很小;收敛角度显著影响喷注器收敛段内的速度分布,对喷注器出口截面的轴向速度场影响不大,收敛段各截面的轴线表观粘度和平均表观粘度随收敛半角的增大而减小,喷注器的压力损失随着收敛半角的增大而逐渐增大。（3）搭建了航空煤油凝胶的单股射流实验台,采用高速摄影捕捉了射流的形貌和扰动特征,运用线性稳定性方法分析了射流的扰动特性,计算了不同射流长度下的扰动波振幅,并与实验进行了对比研究。结果表明:在本文研究范围内,凝胶模拟液射流随着喷射速度增大,受到的扰动逐渐增强;喷射的平均速度超过30.84m/s时,射流表面发生破碎,喷射的平均速度越高射流破碎越早,破碎程度越高;鉴于Yang式线性分析方法在高稀化性凝胶的局限,提出了一种改进方法,通过引入界面速度因子求解射流的线性扰动方程,显示出了良好的适应性。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/qikandaodu/2021/1110/1608.html