凝膠單液滴蒸發(fā)模型的數(shù)值研究.pdf

1、 凝膠單液滴蒸發(fā)模型的數(shù)值研究 凝膠單液滴蒸發(fā)模型的數(shù)值研究 One-Dimension Evaporation Model of Gel Fuel Droplet 學(xué)科專業(yè)：動(dòng)力工程 研 究 生：張 龍 指導(dǎo)教師：劉 欣 研究員 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 二零一三年十二月 摘要 摘要 隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展， 人們對(duì)飛行器的燃料提出了越來越高的要求， 而凝膠推進(jìn)劑恰好能夠滿足燃燒的高效性和使用的安全性。 凝膠推進(jìn)劑是在傳統(tǒng)液體推進(jìn)劑中加入膠

2、凝劑， 使其凝膠化的新型燃料， 即保持了固體推進(jìn)劑的高能量密度，又有液體推進(jìn)劑的流動(dòng)可控性，因此具有二者的雙重優(yōu)點(diǎn)。燃料的燃燒是一個(gè)特別復(fù)雜的過程， 然而加入的膠凝劑對(duì)凝膠的燃燒和蒸發(fā)有什么影響， 還沒有得到一個(gè)一致性的結(jié)論，嚴(yán)重影響了凝膠的大量使用和推廣。因此，凝膠單液滴蒸發(fā)模型的建立，能夠?yàn)槿藗冄芯磕z的燃燒提供理論基礎(chǔ)。 本文依據(jù)凝膠燃料在蒸發(fā)過程中的特殊現(xiàn)象，通過 Matlab 編程建立了有機(jī)凝膠單液滴的一維蒸發(fā)模型。 該模型將

3、有機(jī)凝膠液滴的蒸發(fā)過程分為凝膠膜的形成、 液滴的膨脹和液滴破裂三個(gè)階段， 通過模擬仿真計(jì)算了在對(duì)流條件下有膠凝膠液滴的蒸發(fā)特性，并分析了膠凝劑濃度、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、對(duì)流速度和液滴初始溫度對(duì)液滴蒸發(fā)過程的影響。 研究結(jié)果表明， 在有機(jī)凝膠液滴的凝膠膜形成前，液滴的蒸發(fā)過程和普通燃料液滴蒸發(fā)過程相似，都遵守 D2 定律。在隨后的蒸發(fā)過程中，液滴內(nèi)會(huì)出現(xiàn)氣泡，使凝膠膜出現(xiàn)膨脹和破裂，造成了液滴的半徑、表面蒸發(fā)流率和表面蒸汽濃度的震蕩現(xiàn)象。

4、其中，半徑和表面蒸發(fā)率是在震蕩中逐漸減小的， 表面蒸汽濃度和液滴表面溫度是一個(gè)先增加后減小的過程。 膠凝劑濃度的的增加會(huì)使有機(jī)凝膠單液滴蒸發(fā)時(shí)， 凝膠膜形成的時(shí)間變短， 震蕩蒸發(fā)時(shí)間是提前， 造成液滴的整個(gè)生存壽命減少； 環(huán)境溫度的增加會(huì)提高凝膠膜形成階段蒸發(fā)速率和表面蒸汽濃度， 從而提高該階段的表面溫度， 造成凝膠膜形成時(shí)間變短，并大大縮減液滴的蒸發(fā)壽命；環(huán)境壓力越高，在凝膠膜膨脹階段，燃料的平衡蒸發(fā)溫度越高，表面膠凝劑濃度上升緩慢，

5、造成凝膠膜形成時(shí)間變長(zhǎng)，而且高壓導(dǎo)致液滴在后續(xù)的蒸發(fā)中需要更多的蒸汽進(jìn)行膨脹， 從而使液滴的震蕩頻率有所下降；隨著對(duì)流速度的增加，膠凝劑膜形成的時(shí)間大大縮短，液滴的壽命會(huì)大幅降低，而且會(huì)加大表面蒸發(fā)率，但對(duì)表面蒸汽濃度的影響不大；提高凝膠燃料單液滴初始溫度， 可使液滴加速進(jìn)入平衡蒸發(fā)階段， 并且有助于減少凝膠液滴的生存壽命； 在所有影響的參數(shù)中， 只有膠凝劑濃度對(duì)液滴蒸發(fā)第一階段結(jié)束時(shí)液滴的半徑有較大影響。 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：凝膠燃料；