数值分析的自激燃烧不稳定在一个小嗯/液体火箭发动机

文摘

而燃烧不稳定在一个小嗯/液体火箭发动机用于卫星态度和过程控制的数值研究。三维n - s代码开发模拟两相喷雾燃烧的情况下5个不同滴索特平均直径。随着液滴大小的增加从30微米到80微米,压力振荡是强大和更大的振幅。但增加液滴大小在80微米到140微米的范围表明减少压力振荡的振幅。这一趋势是一样的休伊特标准。第一个切线(1 t)模式和第一纵向(1升)模式自激燃烧不稳定捕获60-micron和80 -微米情况下。突然发生在峰值正电胶的质量分数和配合而突然的质量分数峰值在下游地区毗邻撞击点。因此,当地可燃高密度混合形成,导致quasiconstant卷燃烧和突然的压力峰值。室中的压力波的传播和反射刺激燃烧不稳定。当液滴尺寸太小或太大,很难形成局部高密度预混合物和燃烧室是稳定的。

1。介绍

而小嗯/液体火箭发动机(LRE)为目的开发的姿态控制和航向修正战术导弹和人造卫星。高频燃烧不稳定性的发展一直困扰LRE自1940年代以来,在组织的高的振荡幅度大于10%的平均室压力会引起(1,2]。这样的振动可能导致表现不佳,无法接受的振动,甚至灾难性事件。因此,必须考虑燃烧不稳定在先验。因为这个问题的复杂性和有限的计算能力来捕获所有的物理过程数值模拟,燃烧不稳定性仍然是一个挑战,一个火箭发动机的发展。

热火灾进行了测试研究燃烧不稳定的室(3- - - - - -6]。但是需要测试的数量由于臭名昭著的概率和燃烧不稳定的不确定性。因此,预测燃烧不稳定性的数值模拟是一个重要的问题。各种水平的模型开发了处理室中燃烧不稳定。波方程(7- - - - - -10),有限元法(FEM) (11),和线性欧拉方程(李)12,13)被用来预测燃烧不稳定。但传输函数(14,15)需要提供与高保真数据和校准。计算流体动力学(CFD)方法被认为是一个有效的方法调查燃烧不稳定,提供洞察更详细的物理过程。大涡模拟(LES)是一个很好的候选人,它已成功用于预测燃烧不稳定(16- - - - - -21]。分离涡模拟(DES),有的要求计算资源开发研究燃烧不稳定(22- - - - - -24]。然而,没有考虑液体滴动态和推进剂气化时离开了喷油器在这些模拟。对于两相湍流反应流,不稳定Reynolds-Averaged n - s(巨蜥)总是工作25,26),已应用于研究燃烧不稳定在LRE [27- - - - - -29日]。塔克等。30.,31日莱斯和巨蜥模拟燃烧室相比)。结果显示highest-fidelity莱斯和巨蜥最佳预测瞬时温度,涡度字段,和墙热通量,而两个低阶莱斯提供了一个可怜的预测。因此,巨蜥是采用本文将计算机资源的巨大需求DES或莱斯考虑两相交互。

众所周知,高频燃烧不稳定性的结果不稳定之间的耦合热释放和声学振荡的压力。许多研究集中在模拟非定常热释放的17- - - - - -20.,22,32和一个放热反应函数33]。罗利指数(34)是用于定量评估之间的耦合非稳态热释放和声学压力振荡,这代表了源项在声波能量的平衡17]。当发生燃烧不稳定时,罗利指数大于0。但当罗利指数大于0,有情况表明,燃烧不稳定不发生。此外,它说什么关于初始放热产生振荡和压力振荡的来源。高频燃烧不稳定性可分为内在和injection-coupled不稳定2]。Injection-coupled不稳定时出现注射流波动两室声学模式,主要发生在LRE配备同轴喷油器。质量流量振荡喷油器的放热振荡的来源(35]。发现室的声学模式耦合与注射器时燃烧不稳定发生(36- - - - - -38]。这个工作的情况下,like-doublet注射器使用和质量流率是常数没有振荡。内在不稳定性由推进剂注射后发生的子流程,雾化、蒸发、混合、和化学反应,喷油器是被动地参与其中。Sirignano和Duvvur39,40总结蒸发过程是在液体火箭燃烧不稳定的关键因素。Lei,图兰(41宣布蒸发过程的非线性和强度有很大的影响燃烧不稳定的行为。蒸发率取决于液滴周围的流场和液滴尺寸。休伊特标准(42,43)是用来预测的最高模式燃烧室配备撞击喷油器的不稳定。燃烧不稳定性与稳定性相关参数 ,在哪里喷油器孔直径和吗注射速度是最不稳定的推进剂。减少 ,指示稳定裕度降低,同时减少液滴的大小。因此,液滴的大小可能会燃烧不稳定的关键因素。很少有研究关注于液滴大小的影响在小推力lre燃烧不稳定。另一方面,在先前的研究中,初始压力振荡是如何产生的,什么是压力振荡的来源还不清楚地解释道。

在本文中,一个健壮的反应三维两相流模型基于巨蜥。例不同的液滴大小的喷雾燃烧过程在一个小嗯/ LRE全家人的调查。燃烧不稳定捕获,以及初始扰动是诱导和演化的燃烧不稳定性进行了分析。液滴尺寸对燃烧不稳定性的影响进行了讨论。本文在以下的结构方式。首先,数值模型简要描述在下一节中紧随其后的是数值方法和边界条件。然后,物理模型和计算例。最后,提出了这些情况下的结果,执行的不稳定现象。不稳定机制是进一步分析。并探讨了液滴尺寸对燃烧不稳定性的影响。

2。数值模型

而在一个小嗯/ LRE,推进剂进行注射,雾化、蒸发、混合、化学反应,和扩张的过程。拉格朗日方法的求解两阶段反应流燃烧室,在n - s方程和拉格朗日方程(n)气态和液态粒子,分别。两个阶段之间的相互作用是数学表达源在气相方程。

2.1。连续相模型

三维,multispecies气相n - s方程用来描述流动室。标准的two-equation湍流模型。质量的控制方程、动量、能量、物种质量分数,湍流动能和湍流耗散以统一形式可以表达(44]:

在哪里 , , ,和代表保护变量、扩散系数、对流源条件,三个方向的速度。和源项由液滴蒸发和化学反应。并给出了详细的变量在文献[44]。

2.2。雾化模型

液体撞击射流的雾化是通过修正公式,通过喷雾特性直接决定(45]。介绍了液滴与次方分布[美国商会45)在给定的位置,like-doublet喷油器的撞击点的位置。初始速度、质量流率和液滴的索特平均直径(SMD)作为边界条件。水滴在风扇或者注射锥角的空间分布。液滴的初始速度矢量是由一个随机过程。包裹的数量在每个时间步是通过注射质量流量分裂液滴粒子的质量。

2.3。滴阶段模型

离散液滴模型(DMD)是用来描述液滴的运动轨迹与假设液滴足够的稀释,这样的交互液滴被忽略。液滴之间的相互作用和周围的气体在气相方程中包含源术语。预计的轨迹离散液滴通过集成上的力平衡液滴在拉格朗日框架。液滴的重力和其他被忽视的力量。只有阻力。液滴的动量方程如下:

其中下标代表了滴。下标表示液滴的物种。水滴的阻力系数。是平均气流速度;的速度吗滴。是湍流速度波动。

两相相互作用的源项详细描述文献[44]。

2.4。化学反应模型

为了使这个问题简单,只有气相化学反应被认为是,而液相反应是被忽视的。阿伦尼乌斯的活动化学反应速率计算表达式的四步化学反应。表达的MMH-NTO四步化学反应:

3所示。计算方法

使用的数值方法来解决这个问题包括一个时间离散化和空间离散化。离散方程的有限体积方法(1)在空间中,而使用欧拉计划的条款。扩散项和对流项由中央差分和二阶近似逆风方案,分别。首先,由于蒸发源条件和拉格朗日两相相互作用计算阶段。然后,压力和速度场耦合由Semi-Implicit方法解决有关的压力方程(简单的)方法。计算对流通量由于运动欧拉网格的最后阶段。这就是所谓的场(ALE)技术(46]。网格的大小是2毫米。进一步细化网格不大幅提高的结果。

绝热壁条件申请室壁包括注射器的脸。壁面函数处理(47是用来墙附近的区域。特征边界(流出边界)用于出口,在背压和速度组件设置指定相同的逻辑在邻居顶点在出口处由于超音速流。

4所示。结果与讨论

4.1。物理模型

原理图的小嗯/推力室呈现在图1。室的直径60毫米,而喉咙的直径是29.3毫米。圆柱部分的长度是59.5毫米,而美国商会的总长度是146.8毫米。喷嘴膨胀率是1.55。有60 like-doublet喷油器和10冷却喷油器如图所示1(一)。like-doublet喷油器fuel-oxidizer-fuel-oxidizer模式的。雾化过程被忽视,水滴注入在如图所示的撞击点1 (b)。like-doublet喷油器(撞击点)分布在两个戒指。第一个环位于 毫米,而第二个环位于 毫米。20 like-doublet喷油器是均匀分布在第一环圆周方向每18度,而40 like-doublet喷油器是均匀分布在第二圈每9度。位于冷却喷油器 毫米,每36度分布。30%的燃料注入的冷却喷油器是用来冷却室的墙上。全家人的混合比例,嗯(O / F比值)是1.65,和总质量流量为484.5 g / s。嗯,而液滴的初始温度是300 K。喷雾锥角是75度。嗯,而注射速度的23.5 m / s, 28.5 m / s,分别。意思是燃烧室压力1.09 MPa。在最初的时候,房间充满了N₂,燃烧室压力和室温度1.09 MPa和3000 K,分别。

室的理论特征频率可以通过简化估计室与相同直径和当量圆柱长度,等于圆柱部分的长度之和和三分之二的收缩室的一部分5]。并给出了详细的值在表1。声音的速度是根据NASA-CEA 1020 m / s。

4.2。休伊特标准

稳定性的相关参数 已被成功地用来预测燃烧室的燃烧不稳定冲击喷射注射器。如图所示的休伊特稳定性相关2提出了稳定裕度 。 是喷油器孔的直径,而的速度是最不稳定的推进剂。减少 表明稳定裕度降低。它可以得出的结论是,什么时候 小于0.1,可能发生燃烧不稳定。

热防火测试而小嗯/推力室如图所示1进行研究休伊特标准是否适用于燃烧室。燃烧室和喷嘴的参数是一样的那些部分4.1,而推进剂液滴的质量流率和参数是不同的。的参数 通过调整速度控制的燃料(氧化剂)。因此,不同的 和燃料的质量流率(氧化剂)。压力振荡在室的监控。稳定和不稳定的情况下执行图3与不同的 。它可以发现,休伊特标准适用于燃烧室。当参数 小于一个确定值,燃烧不稳定发生。

安德森et al。42,43)宣布增加 隐含的增加意味着液滴的大小。用水like-doublet喷油器雾化试验,可以得出结论,SMD的水滴可以表示如下:

的参数表面张力,喷雾锥角。的参数液滴的密度。SMD成正比 。因此,当SMD小于一个确定值,燃烧不稳定可能发生。

根据翰威特标准,第一个纵向(1升)和第一个切线(1 t)燃烧不稳定时 小于1 - - - - - -5。它可以估计时 等于1 - - - - - -根据方程(54),SMD大约是80微米。因此,SMD的液滴大小追究嗯,而30μ60米,μ米、80μ米、100μ米,140μm。并给出了详细的情况在表2。

4.3。不稳定现象

在炎热的测试中,压力振荡是监控的点(28毫米,0毫米,2毫米),这是在室侧壁,如图1 (b)。这个点位于1 t的波腹模式和1 l模式。测试条件是一样的仿真条件4.1,而液滴的平均直径和分布是未知的。压力振荡的FFT分析如图4。有两个峰值频率4800赫兹和10780赫兹。

压力振荡情况下1例5监测在同一位置(A)和热测试呈现在图5,显示出时间的历史趋势的压力振荡腔包括任何或衰亡。压力数据在时间片的5到10 ms女士作为FFT分析,表现在图6。压力振荡的共振频率是通过FFT分析。还有两个峰值频率在4800赫兹和9800赫兹,以防1例3。与理论室的声学频率相比,这些共振频率的热测试和仿真结果可以被识别。峰值频率4800赫兹左右被确定为1 l模式、峰值频率在9800赫兹时确定为1 t模式。结果表明,数值模拟的声学模式兴奋与这些协议在炎热的测试,这表明激动压力的数值方法可以预测声学模式振荡。声波的振幅有明显的差异模式由于一些不同的数值模拟和热测试。首先,雾化过程数值模拟中被忽视。其次,不能跟踪每个液滴由于计算资源的限制。液滴包裹是用来表示液滴的数量相同的轨迹。 Thirdly, a global one-step chemical reaction is used in the simulation, while it is multistep complicated chemical reactions in the hot test. Moreover, it is a challenge for accurate measurements under a high-pressure and high-temperature condition in the hot test. In this paper, it focuses on whether combustion instability is acoustic combustion instability (high-frequency combustion instability). Therefore, the acoustic modes of pressure oscillations and the frequencies of excited acoustic modes are compared in the validation. It is difficult to compare their amplitudes quantitatively.

注意在图有几个特性5。压力振荡的价值小于0在最初的时候,虽然最初室压力设置为平均室压力1.09 MPa。因为有一个时间差,当推进剂进入室和时间当他们燃烧并释放化学能,在最初的时间将会下降的压力,压力振荡的第一特征。在最初,压力振荡上升到0.3 MPa由于自燃在案例1中,这是高于2。然而,压力振荡在案例3 5下降到较低的值。首先压力下降到一个较低的值,然后上升到一个更高的价值从病例3例5。因为时间间隔变大的液滴大小的增加,重要的是要注意,由于自燃行为可能产生足够的压力峰值干扰引发燃烧不稳定。然而,这不是一个理由引起燃烧不稳定,因为压力振荡衰减,在例1和例4,保持稳定而高烈度的压力振荡例2和例3中感到兴奋。

在案例1中,压力振荡衰减的幅度内平均室压力的10%。燃烧被认为是稳定的。对于第二种情况,峰压力振荡振幅持平了大约0.7 MPa平均室压力(64.2%)。压力波steep-fronted,不对称是由于非线性效应,这是压力振荡的第二个特征。情况3,峰压力振荡振幅为0.8 MPa平均室压力(73.4%)。存在很多突然的压力峰值。例4、压力振荡下跌到-0.3 MPa在0.5毫秒,上升到2.74 MPa 1.75 ms。在5.0毫秒,压力振荡阻尼平均室压力稳定。因此,燃烧不稳定不触发。5,压力下降到0.55 MPa,然后上升到1.1 MPa在3.0 ms。 Mean chamber pressure varies slightly with time. There not exist high-amplitude pressure peaks. In Case 2 and Case 3, pressure oscillations are organized and periodic, which is the third feature of pressure oscillations. And the amplitudes are greater than 10% of mean chamber pressure. The 1T mode and 1L mode are excited. The amplitudes of 1L mode and 1T mode in Case 3 are the largest. Thus, combustion instability occurs in these two cases. Although the 1L mode and 1T mode are also excited in Case 1, the amplitudes of pressure oscillations are less than 10% of mean chamber pressure. Therefore, combustion instability is not excited in this case.

随着液滴大小从30不等μm - 140μm,燃烧从稳定到不稳定,稳定了。30μ米和100μ米情况下最初显示高压力振荡振幅随着时间的推移,潮湿,然后保持稳定。140年μ米情况下显示没有在10 ms运行时不稳定。有明显的周期性高烈度压力振荡60μ米和80μ米的情况下,那些在80年μ米是最暴力。压力振荡的振幅增加首先然后减少液滴大小的计算范围内。和相同的趋势的振幅1 l模式和1 t模式。类似的结果也由基南et al。48和金等。49]。它表明结果是合理的。基南et al。48]调查20的影响μ60米,μ米、100μ米,140μm液滴大小的液态氧和RP-1稳定。20μm和60μm横向显示不稳定,而100微米最初显示横向不稳定,但随时间衰减。没有140微米显示不稳定性。金等。49]发现滴10微米的稳定的轰炸,而50 -分米滴不稳定。但是100微米的液滴的稳定模拟触发机制。

4.4。突然压力峰值和不稳定机制

为了揭示燃烧不稳定如何发生,详细分析了案例2。图7展示了几个瞬间的压力室的轮廓在案例2中,该执行室中的压力波的传播。横截面是2毫米,4毫米,6毫米,和20毫米远离喷射器面临分别。声学振荡模式可以揭示了压力场的时间演化模式。当地小型高压区域出现在如图所示的室负责人7(一)。压力波传播从高压区域低压区域。在横向部分,部分成为一个低压的中心地区,而该地区附近的侧壁成为高压区域如图7 (b)。在正确的部分和压力比在左边部分高,这是典型的压力分布1 t模式。压力波达到收缩部分。头部区域室变成了一个低压区,而收缩部分成为一个高压区域如图所示7 (c)。压力波反映和传播室的头部区域。和室区域变成了一个高压区域如图所示7 (d)。它可以得出结论:1 l模式是兴奋。因此,1 t模式和1 l模式案例2中受到刺激,这表明识别的峰值频率FFT结果是正确的。此外,值得注意的是,当地的小高压区域出现在横向部分2毫米和4毫米偶尔显示为数字7(一)和7 (d),在下游地区毗邻撞击点,这可能是压力振荡的来源。

为了揭示当地小型高压区域是如何形成的,一套监控点名叫点B。B点的位置(10毫米,0毫米和2毫米)如图所示1 (b)下游地区,毗邻第一环like-doublet喷油器的撞击点。点的位置(28毫米,0毫米,2毫米),在同一横剖面B点,但在井壁附近。图8显示压力振荡在B点明显比那些点A峰压力振荡的振幅大约1.7 MPa在B点,但只有0.6 MPa点A .此外,压力峰值点B出现早于那些点如图所示8 (b)。压力振荡点产生的压力波传播的可能导致在B点。压力峰值在B点压力振荡的可能来源。

然后,压力振荡的时间历史B点周围的点的。图9提出了压力振荡的时间8.320毫秒的时间8.360 ms,这给的压力峰值是诱导。点是在喷射器的脸,没有了。压力振荡的振幅在B点是最高的。突然压力峰值是观察一段时间 女士, 在b点。女士和的方块图吗9。短的时间间隔 μ年代,从3.14 MPa提高到4.58 MPa的压力在这个控制体积。压力增加观察控制体积为1.44 MPa,近50%的压力 ,这表明一个压力峰值出现。压力、温度、密度、密度嗯,嗯,蒸发和燃烧的正电胶在B点控制的两个瞬间卷和周边控制卷如表所示3。燃烧的嗯是观察到的控制体积最大的B,而蒸发的嗯是最大的。这意味着暴力发生燃烧来 。总之,压力峰值在B点这段时间不能造成压力波的传播周围的点。这可能是由于猛烈的燃烧。

总热释放产生的化学反应是0.85 J和热释放率约为1.126 w。的流速控制体积是93 m / s。短的间隔期间,相应的流体传播距离是0.078毫米。与特征尺寸控制体积的2毫米,对流通量与周围的顶点可以被忽视。由于燃烧热释放被混合物的温度上升,蒸发过程,两相相互作用在控制体积。基于定容燃烧理论,混合物的温度上升的控制体积是585 K,而数值模拟预测的是538 K。理论计算,用于两相相互作用的能量是不考虑。因此,混合物的温度升高略高于数值模拟。平均分子量从34.6到29.7不等。根据恒容燃烧理论,压力可以被估计。这是4.47 MPa,与4.58 MPa的数值模拟的结果。比较结果的恒容燃烧理论和数值仿真结果如表所示4。短的时间间隔 μ年代,压力波的传播距离约0.875毫米以声音的速度973米/秒。压力峰值无法传播到周边控制卷在这短的时间间隔。密度在控制体积是4.93 - - - - - -3克/厘米³在 ,虽然是5.14 - - - - - -3克/厘米³在 。因此,密度可以认为不变,而崛起的压力上升的温度成正比。上述分析表明,quasiconstant体积燃烧发生在短时间内,导致突然的压力上升。

由于燃烧消耗的正电胶的数量大于嗯 。考虑中的传播距离短的间隔,燃气和氧化剂气体无法从周围的流控制卷。因此,蒸发量对燃烧有很大的影响。图10显示了蒸发数量和消耗数量的正电胶女士从8.335到8.345 ms。蒸发的突然增强是紧随其后的是燃烧的增强。嗯的突然崛起中消耗金额短间隔意味着暴力发生燃烧。质量分数的时间历史的燃料和氧化剂在图11。氧化剂的质量分数的振荡阶段与燃料的质量分数。燃气和氧化剂气体质量分数的增加女士女士首先从8.335到8.338。增强燃料和氧化剂液滴的蒸发会导致燃料和氧化剂气体的积累。燃料气体的质量分数从8.338女士和氧化剂气体急剧减少到8.339 ms,这表明暴力发生燃烧和反应物气体燃烧。因此,暴力燃烧发生在这段时间来 。压力波不能传播到周围的控制卷在这短时间内,导致一个高振幅增加的压力,即压力峰值。

这些结果也支持工作的基南et al。48),Zhang et al。44),Grenda et al。50],邪神et al。51),这表明暴力燃烧(轰炸)可能发生在LRE。基南et al。48]发现注入液态氧和RP-1水滴沿着相同的向量在给定天使模仿风扇雾化可能引发自激不稳定,因为液态氧和RP-1液滴能更迅速地进行交互。Zhang et al。44)发现quasiconstant体积燃烧导致爆炸,引起自激燃烧不稳定。Grenda et al。50)发现,模拟爆炸发生时,雾滴在100微米的顺序和200微米。邪神et al。51]研究自燃推进剂的爆炸机理,发现推进剂的瞬时气化导致爆炸。

如图7显示,当地的爆炸现象,突然压力峰值出现在室,主要是下游地区只是毗邻like-doublet喷油器撞击点。此外,压力峰值的空间和时间分布进行了分析。四行A, B, C和D平行的轴选择室,室的轴线附近的定位,内部like-doublet喷射器撞击点,外like-doublet喷射器撞击点,和室侧壁,红线,如图所示1 (b)。六的压力控制的时间历史卷空间约2毫米的轴向方向呈现在图12。空间分布,压力峰值主要出现在线B和C在4.1毫米的喷射器的脸,在相应的下游地区只是毗邻like-doublet喷油器撞击点。燃料和氧化剂滴几乎消失在60-microns室的情况。燃烧主要发生在美国商会的负责人在哪里下游地区毗邻撞击点。时间分布,压力峰值出现频繁和随机10 ms运行时。因此,压力峰值出现在下游地区毗邻like-doublet喷油器频繁,偶尔。压力波的传播和反射刺激周期振荡的压力。和压力振荡的特征频率等于理论室的特征频率。因此,燃烧不稳定将会刺激室。

4.5。液滴尺寸分布的影响突然压力峰值

如部分所示4.3液滴大小有很大的影响,压力振荡的振幅,增加首先然后减少从30μm - 140μm。自激燃烧不稳定性受到刺激的60例μ米和80μ米,而其他情况下是稳定的。60的详细分析μm情况,发现quasiconstant体积燃烧导致突然的压力峰值是源动力和维持燃烧不稳定。因此,液滴尺寸分布的影响的突然的压力峰值将在本节中讨论。数据13- - - - - -17显示了声压轮廓在两个瞬间8 ms-10女士1例5,这提供了一个洞察突然压力峰值的分布不同的液滴大小的情况下。横向部分先后2毫米,4毫米,6毫米远离喷射器面对数字从左到右13- - - - - -17。嗯,而液滴的分布数据所示(13日)- - - - - -(17日)和数字13 (b)- - - - - -17 (b),分别。

这些数字有几个特性。首先,嗯,而液滴蒸发,消失在案例1例3室的负责人。水滴经过的圆柱部分室4,而液滴到达喉咙推力室的例5。随着液滴尺寸的增加,液滴经过的距离更长,因为需要更多的时间来加热液滴的蒸发率较小的液滴大小的增加。

此外,几乎均匀的压力室1,4,5和案例,虽然有大例2和例3中压力梯度。室负责人的压力明显高于下游地区的商会,这意味着1 l模式可能发生燃烧不稳定。对于横向部分,有小高压区域数据(压力峰值)14和15,其振幅大于平均室压力的50%。压力峰值主要发生在美国商会的负责人。他们在撞击点的下游地区的横切面显示数据14和15。强烈的化学反应发生在这些地区。案例1,红色区域(高压区域)的振幅小于平均室压力的10%。它可以认为没有压力峰值压力峰值后由于自燃衰变。不存在明显的压力峰值在4。例5,压力保持稳定,没有突然的压力峰值。推进剂液滴可能穿过喉咙,使喉咙部分的质量流率不是常数。因此,平均室压力变化略没有强大的压力振荡。突然压力峰值出现在美国商会的负责人和燃烧不稳定性与SMD 60诱导μ米和80μm。当液滴的SMD太小或太大,突然压力峰值不观察和燃烧是稳定的。它表明燃烧不稳定性与突然的压力峰值。只有当压力峰值出现,燃烧不稳定是兴奋。这个结论与不稳定机制是一致的。压力峰值可能来源来推动和维持燃烧不稳定。

4.6。突然压力峰值的形成的条件

根据节4.5结果和讨论部分,可以知道,燃烧不稳定压力峰值的出现,相关敏感滴的大小。为了揭示液滴大小如何影响压力峰值的出现,燃料和氧化剂气体的质量分数在不同半径2毫米的距离离注入脸提出了数字18- - - - - -22。红线代表全家人的质量分数,而黑色线条代表了正电胶质量分数。在 毫米,正电胶的质量分数大于旅游公司,同时 mm-18毫米,而更大的质量分数。这是富油的 毫米,因为冷却喷油器位于喷嗯。此外,正电胶的数量质量分数的山峰,而发生在 毫米, 毫米,下游地区毗邻撞击点。

在第一种情况下,振荡正电胶的质量分数,而不是命令小振幅。例2和例3中,振荡的正电胶的质量分数,而组织和周期性的特别是在 毫米,18毫米,22毫米。从 毫米,注意,正电胶的质量分数的频率,而都是估计为5000 Hz通过计算峰的数量,大约五,超过1毫秒时间片。正电胶的质量分数的振荡阶段与旅游公司的质量分数。突然的峰值出现时间序列的质量分数的正电胶伴随着突然飙升而时间序列的质量分数。因此,当地预混合物形成的高密度气体反应物。Quasiconstant体积会发生燃烧,导致一个高振幅上升的压力。突然压力峰值出现频繁,随机。例4,正电胶的质量分数,而振荡的命令/时间片2女士5 ms。压力振荡还在这个时间片显示组织如图所示5。振荡5 ms之后,正电胶的质量分数与质量分数阶段的旅游公司。例5,没有存在突然山峰在图22。正电胶的质量分数,而随时间变化缓慢。

突然发生在峰值正电胶的质量分数,而在同一时间经常和随机在下游地区毗邻撞击点。当地形成可燃混合物,导致quasiconstant体积燃烧和突然的压力峰值。他们的传播和反射腔壁可能激发的是一种自发性的燃烧不稳定。

4.7。液滴尺寸对燃烧不稳定性的影响

在例1例3中,突然压力峰值出现更频繁地与更高的振幅,随着推进剂液滴大小的增加。直径较小的液滴的蒸发速度更快。扩散燃烧。当地的混合燃料和氧化剂气体形成较小的频率更低密度。有更多突然山峰燃料和氧化剂的质量分数的增加例1例3中的液滴尺寸如图18- - - - - -20.。然而,压力峰值发生次数少,振幅较低情况下4。推进剂液滴的蒸发是缓慢的,因为大的直径。峰值的质量分数的燃料和氧化剂发生的频率更低。混合比例O / F大,很难形成局部高密度预混合物。不存在压力峰值后5女士。例5,燃料液滴出现在喉咙推力室的一部分。反应物气体的密度很低的房间,和当地高密度预混合物不能形成。

趋势是一样的休伊特稳定性相关。减少液滴的大小范围的140微米到80微米,表明增加倾向不稳定,意味着减少稳定性参数 休伊特稳定性的相关性。在实际的测试中,平均液滴尺寸大于30微米。30微米的液滴大小情况下不conclud热测试。

燃料和氧化剂的水滴注入沿着相同的向量在给定角度,这导致他们分布在室类似。当燃料和氧化剂的蒸发液滴燃料和氧化剂的增强和质量分数上升到峰值同时,当地预混合物形成容易密度高。这导致压力峰值。燃料和氧化剂质量分数的峰值是由三个因素的结合的快速蒸发,液滴的密度高,混合燃料和氧化剂。液滴的大小确定蒸发率和推进剂液滴数密度,进而影响当地预混合物的形成。当液滴尺寸太小,蒸发率和初始密度很大数量。燃料和氧化剂气体是烧坏了就从液相气化。和混合燃料和氧化剂不存在时间短的燃料液滴和氧化剂滴。因此,突然山峰反应物气体的质量分数将不存在。很难形成高密度预混合物。 When the droplet size is too large, the evaporation rate and initial number density are small and mass fraction of reactant gas will not vary greatly. It is also difficult to form high-dense premixture. Only when the droplet size is in a definite range, the abrupt peaks of mass fraction of reactant gas will occur stochastically and frequently at the same time. And it is easy to form high-dense premixture, which results in quasiconstant volume combustion and pressure spikes.

5。结论

而燃烧不稳定在一个小嗯/ LRE调查数值。三维两相湍流反应是拉格朗日方法的预测,巨蜥的气相流动方程和轨迹的DDM的液滴。两相交互建模的质量,动量和能量源项气相方程。液滴注射速度和SMD的位置决定的。30μ60米,μ米、80μ米、100μ米,140μ米情况下计算。

随着液滴大小的增加从30微米到140微米,峰压力振荡增加首先然后减少。压力振荡最强的80 -微米。压力振荡的振幅和FFT分析表明,1 l, 1 t模式自激燃烧不稳定发生在60-micron病例和80 -微米。这表明当液滴大小小于一个值在确定范围内,会发生燃烧不稳定。这一趋势是一样的休伊特稳定修正。但如果液滴尺寸太小等30微米,燃烧压力振荡衰减,保持稳定。

进一步分析表明,突然的峰值出现在正电胶的质量分数,而经常在下游地区毗邻撞击点。正电胶的质量分数的振荡阶段与旅游公司,组织和周期性。当地形成可燃混合物,和暴力燃烧产生。化学反应速度比扩张的压力。因此,quasiconstant体积,会引起燃烧和突然的压力峰值压力振荡的来源。室中的压力波的传播和反射刺激燃烧不稳定。液滴的大小影响正电胶的质量分数,而通过蒸发率和初始数密度。当液滴尺寸太小,燃料和氧化剂气体消耗就从流体相,因为快速蒸发。当地的高密度可燃预混合物很难形成。液滴尺寸太大时,蒸发率很小,有少突然山峰质量密度的燃料和氧化剂。 Local bombing phenomenon appears frequently within a definite range of droplet size.

这个研究显示的初始扰动引起燃烧不稳定,燃烧不稳定是如何引发的。此外,它表明,推进剂液滴尺寸对燃烧不稳定性有很大的影响和推进剂的雾化提供指导。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持下批准号91841303。

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