凝膠燃料單滴燃燒的建模、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

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1、第36卷第3期2010年6月火箭推進(jìn)JOURNAI．OFROCKETPROPULSIONV01．36．№．3Jun．2010凝膠燃料單滴燃燒的建模、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用張蒙正(西安航天動力研究所，陜西西安710100)摘要：討論了凝膠燃料單個液滴燃燒的建模、實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用問題。單滴燃燒建模的關(guān)鍵在于依據(jù)凝膠燃料的膠凝結(jié)構(gòu)和組份物性，確定燃燒過程的關(guān)鍵步驟，提煉主要影響因素。單滴燃燒實(shí)驗(yàn)研究的水平主要依賴于微小液滴的生成技術(shù)，高分辨率和高速成像技術(shù)，燃?xì)獬煞莸臏?zhǔn)確快速測量技術(shù)等光學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展。單滴燃燒研究的主要應(yīng)用在

2、于揭示燃料的燃燒機(jī)理，分析燃料的燃燒特性，提高燃燒裝置的設(shè)計水平。關(guān)鍵詞：凝膠燃料；單液滴；燃燒；模型；應(yīng)用中圖分類號：V513文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：(2010)03-0001—09Modeling，experimentandapplicationofsingledropletcombustionforgelfuelZhangMengzheng(Xi"allAerospacePropulsionInstitute，Xi"an710100，China)Al瞻traet：Modeling，experimenta

3、ndapplicationofsinglefueldropletwerediscussed．Thekeyproblemofsingledropletcombustionmodelofgelfuelwastodiscoverthecombustioncontrolpro—-cessandmaininfluencingfactoraccordingtothefuelchemistryconfiguration．Thedevelopmentofexperimenttechnologydepends011drople

4、t-creatingtechnique．thephotographywitIlhighresolutionandhighspeedandopticaldetectortechnologyforcombustionproduction．Theresearchofmodelingandexperimentofsingledropletcouldrevealthefundamentalmechanisms，combustioncharacter／s-ticsandenhancedesignlevelofcombus

5、tionchambers．Xeyworda：gelfuel；singlefiquiddroplet；combustion；model；application收稿日期：2010-02—21；修回日期：2010-03—12。作者簡介：張蒙正(1964一)，男，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)閲婌F燃燒。2火箭推進(jìn)2010年6月0引言液體燃料的燃燒是非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，通常認(rèn)為包含燃料的霧化、蒸發(fā)、混合和化學(xué)反應(yīng)等子過程，涉及到燃料液滴與環(huán)境氣體之間的擴(kuò)散、傳熱、傳質(zhì)和流動等現(xiàn)象。研究這些子過程有助于了解和揭示燃料的燃燒機(jī)理及

6、相關(guān)的科學(xué)問題，也是提高液體動力系統(tǒng)燃燒室設(shè)計水平的基礎(chǔ)。燃燒室中，燃料的燃燒是無數(shù)個離散的微小燃料單元(包括液膜、液絲和液滴)組成的液霧群的燃燒過程。而且，由于推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的持續(xù)工作，上述的諸子過程是在同一給定區(qū)域交錯或者同時進(jìn)行的，諸子過程之間的相互耦合作用非常強(qiáng)烈，也很復(fù)雜。為了簡化并了解最基本的物理與化學(xué)現(xiàn)象，通常是從最簡單的單個液滴(以下簡稱單滴)的燃燒過程人手，一般是將液滴假設(shè)為球形的，且將蒸發(fā)與燃燒一并考慮。使用的研究方法包括理論、仿真和實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)50年代初期，國內(nèi)外陸續(xù)開展了單個液滴的理

7、論建模和實(shí)驗(yàn)研究工作，已針對不同的液體燃料類型(如單組元／雙組元、烴類／可貯存、自燃月乍自燃等)和燃燒環(huán)境(主要考慮惰性／氧化劑環(huán)境、壓力、溫度、亞臨界／超臨界、相對靜止，運(yùn)動、有，無環(huán)境氣體的對流等)，陸續(xù)建立了許多蒸發(fā)和燃燒數(shù)值仿真模型11I，研究成果在揭示燃燒機(jī)理方面發(fā)揮了一定作用。近年來，國外研究人員陸續(xù)開展了凝膠燃料單滴燃燒過程研究工作。本文主要討論凝膠燃料單滴燃燒建模、實(shí)驗(yàn)研究的相關(guān)問題及其應(yīng)用。1單滴燃燒的建模1．1簡要回顧上世紀(jì)50年代，Godsave、Spalding、Goldmith、Pe

8、nner、Wise和Faeth等學(xué)者陸續(xù)在球形、準(zhǔn)定常、恒壓、物性參數(shù)恒定、忽略熱輻射和液相反應(yīng)等前提條件下，對單組分液滴在靜止的惰性或者氧化環(huán)境中的蒸發(fā)和燃燒進(jìn)行了研究。其后幾十年里，國內(nèi)外許多學(xué)者和研究人員對單滴蒸發(fā)，燃燒模型進(jìn)行了持續(xù)發(fā)展和完善㈣。研究的單滴蒸發(fā)模型主要有球?qū)ΨQ模型和軸對稱模型，而球?qū)ΨQ模型包含Godsave和Spading的“直徑平方”定律模型和Law的無限熱導(dǎo)率模型；軸對稱