动 力 推 进 系 统 气 液 掺 混

        现代动力发动机系统运行过程中掺混室内的气液掺混过程是影响整个发动机性能的关键过程之一。射流掺混气液混合方式因其结构简单、无运动部件、能耗小等优点,在能源、动力、化工、军工等工业领域得到了重要应用。在国防领域诸多类热动力推进系统中,燃烧室中生成的高温高压燃气与液体射流的混合(掺混)是其中的重要工作过程之一。在该过程中射流液体作为冷却工质,起到降低燃气温度和增加做功工质的双重作用。射流液体与高温燃气的掺混效果(包括雾化液滴的扩散与分布、液滴的蒸发、水蒸气与燃气的混合均匀程度等)对发动机的热功转换效率、工作稳定性以及推进系统的整体性能(比冲等)有重要影响。因此,深入理解推进系统内部气液掺混过程中的热动力学机理及掺混流场演变系统规律具有重要意义。
        我们采用试验和数值模拟相结合的方法进行研究。搭建了横向气流与旋流喷雾掺混实验台,通过PIV测试系统得到了掺混流场的基本结构及规律,建立了高温高压条件下掺混蒸发的数值模型,为掺混过程提供了理论认知,并且提出来强化掺混的有效途径,可以服务于水反应金属燃料发动机掺混室及相关掺混过程工作过程组织和布局。

1.受限空间内液体射流与横流掺混特性

        在推进系统中,液体射流与横流燃气的掺混是在受限空间内完成。揭示受限空间内液体射流与横流气液两相掺混机理,进而合理组织射流与横流的掺混过程,在较短距离内实现气液均匀混合与液滴群快速蒸发,是提高气液能质输运效率,实现掺混室结构紧凑设计的关键。传统研究多针对半无限大空间内液体射流-横流掺混,研究结果不适用于管壁约束下的气液掺混过程。

管内射流掺混液滴群扩散分布特性与掺混状态准则数。(a)有限空间射流掺混流场可划分为三个部分:上方CVP影响区,中部主流区和下方CVP影响区;(b)掺混流场上方CVP旋涡结构涡强度随准则数J的增大而增大;(c)和(d)反映了相近准则数J时(不同掺混条件)掺混流场横截面液滴群空间分布的相似性,其中(c)J=37.43 VS J=36.76,(d)J=65.5 VS J=64.34。

        我们采用机理实验与数值计算相结合的方法,对受限空间内横流作用下射流雾化液滴群的扩散与蒸发特性、掺混流场中的涡结构演变机制以及参数影响系统规律开展了重点研究,发现了管内横向气流与射流雾化液滴群掺混过程诱发的6种大尺度涡系结构,揭示了大尺度涡结构演变特性及其对液滴群扩散的作用机制;提出了定量描述管内横向气流与射流液滴群掺混状态的准则数;获得了高温高压环境液滴蒸发运动特性、高温掺混流场温度分布模式及形成机制等。

2.涡结构及其发展

        在超低渗透油藏提高采收率技术中,由于储层孔喉结构及流体组成极端复杂,孔喉道内的油水流动特性会呈现出鲜明特色(如存在高密度、高粘度的流体边界层,岩石壁面的物理化学作用显著、油水固接触线滑移、界面张力作用显著等),非线性渗流特征显著,基于达西渗流经典油藏开发理论难以适用,目前对超低渗透油藏的微纳孔隙多孔介质中多相流动特性的微观流动机理缺乏认识,限制了提高采收率理论与方法的发展。

管内射流掺混流场的大尺度涡系结构

        气气掺混流场中大尺度旋涡结构是影响掺混的主要因素,尤其是反旋涡对(Counter-rotating vortex pair, CVP),CVP起源于喷口附近区域,占据了射流截面,尤其是较远区域;射流剪切层涡以射流涡的形式在射流迎风侧区域卷起,由Kelvin-Helmholtz不稳定性所致;马蹄涡在射流壁面所在的平面形成,并环绕射流的上游,与尾迹涡垂直;尾迹涡则在壁面边界层内形成,并在射流之后脱落,将流体从边界层抽入射流,根据不同的速度比,可能表现为两种结构,一种是封闭区域的对称涡对,一种是交替出现在射流两侧的涡。

        目前,粒子图像测速仪(PIV)、平面激光诱导荧光测试技术(PLIF)、热线风速仪等是对流场浓度、射流轨迹和贯穿深度等参量测试的实验方法,大涡模拟(LED)和直接数值模拟(DNS)是详细了解涡与射流作用的两类方法。
        我们通过实验和数值模拟获得了完整的横向气流与旋流喷雾掺混流场旋涡结构分布,揭示了其产生机理与演变规律。

3.高温液滴蒸发

图5 纳米粒子

        液滴蒸发模型对于掺混室内的温度分布预测和热态掺混过程规律的研究有着重要的影响。在水反应金属燃料发动机工作时,其掺混室内的温度和压力都很高,大量进水雾化液滴在掺混室内快速蒸发,降低了来流燃气温度,增加了工质的质量流量和流速,提高了发动机的热功转换效率。
        我们针对单液滴的蒸发过程,分析了气相温度、对流、湍流和压力对蒸发特征的影响,考查了对流、吹风效应、湍流对预测液滴蒸发特征的气相模型中的Nu数和Sh数的修正方式,以及参考温度定义方式、物性混合法则和液滴运动气相拖曳力系数的不同表达方式,比较了Nu和Sh数的关联式,参考温度和参考蒸汽质量分数的定义,物性混合法则,液滴拖曳力系数的表达式,从而选取合适的关联式,建立了单液滴的蒸发模型。

        纳米颗粒是指粒度在1—100nm之间的粒子由于其比表面积大,表面分子活性高,具有新异的物理化学特性。我们将针对纳米粒子在油藏内油-水/油-水-固界面上的行为及其对提高采收率的影响开展一系列的研究。目前用于研究的微观可视化岩心驱替实验平台正在筹备搭建。


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发明专利:

1. 横流中湍流气液掺混流场测试装置,白博峰,张海滨,刘利,孙慧娟。专利号:ZL200910020982.X.
2. 一种气液两相环状流射流与主流气体的掺混装置, 张海滨,白博峰,赵中闯。申请号:201510765330.4