凝膠推進(jìn)劑霧化的實驗與SPH數(shù)值模擬研究
本書是論述凝膠推進(jìn)劑霧化實驗及采用SPH方法進(jìn)行數(shù)值模擬的專著。全書共分八章：緒論、凝膠推進(jìn)劑的制備及流變特性測量、凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化實驗及分析、含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化實驗及分析、凝膠推進(jìn)劑霧化場速度測量及分析、凝膠推進(jìn)劑霧化理論、凝膠推進(jìn)劑霧化仿真基本理論及凝膠推進(jìn)劑噴注霧化過程的SPH數(shù)值模擬。本書適用于高年級的本科學(xué)生、研究生、在工程和科學(xué)方面的研究人員和專業(yè)人員。本書所論述的實驗過程、方法和結(jié)論對于在火箭發(fā)動機研制和計算流體力學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行研究的航天、力學(xué)、工程熱物理等專業(yè)的學(xué)生、工程師、研究人員和專業(yè)人員來說實用性較高。
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目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 凝膠推進(jìn)劑及其霧化問題 1
1.2 凝膠推進(jìn)劑霧化實驗研究進(jìn)展 3
1.3 凝膠推進(jìn)劑霧化理論研究進(jìn)展 8
1.4 凝膠推進(jìn)劑霧化仿真研究進(jìn)展 9
1.5 本書的結(jié)構(gòu)體系 11
參考文獻(xiàn) 12
第2章 凝膠推進(jìn)劑的制備及流變特性測量 17
2.1 引言 17
2.2 凝膠模擬液的制備 17
2.2.1 膠凝劑的選擇 17
2.2.2 凝膠模擬液制備方法 18
2.2.3 凝膠模擬液的組分及物性參數(shù) 19
2.3 凝膠模擬液流變特性 20
2.3.1 測量儀器及基本原理 20
2.3.2 流變模型的確定 22
2.3.3 觸變性分析 24
2.4 凝膠模擬液的穩(wěn)定性 25
2.4.1 凝膠模擬液的貯存穩(wěn)定性 25
2.4.2 凝膠模擬液的離心穩(wěn)定性 26
2.5 小結(jié) 26
參考文獻(xiàn) 26
第3章 凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化實驗及分析 28
3.1 引言 28
3.2 凝膠模擬液撞擊式霧化實驗 28
3.2.1 實驗系統(tǒng)組成 28
3.2.2 關(guān)鍵儀器設(shè)備 29
3.3 凝膠模擬液撞擊霧化實驗工況設(shè)計 32
3.4 凝膠推進(jìn)劑霧化特性的表征 34
3.5 凝膠推進(jìn)劑霧化影響因素分析 36
3.5.1 射流速度對霧化的影響 36
3.5.2 撞擊角度對霧化的影響 38
3.5.3 噴嘴直徑對霧化的影響 41
3.5.4 噴嘴長徑比對霧化的影響 42
3.5.5 膠凝劑含量對霧化的影響 44
3.6 液膜形狀與無量綱參數(shù)組的關(guān)系式 46
3.7 小結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 49
第4章 含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑撞擊霧化實驗及分析 50
4.1 引言 50
4.2 含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑模擬液的制備及流變特性 50
4.2.1 模擬液制備 50
4.2.2 模擬液流變特性測量 52
4.2.3 模擬液本構(gòu)方程 54
4.3 霧化實驗工況設(shè)計 55
4.4 含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑霧化實驗結(jié)果分析 57
4.4.1 噴注壓力與體積流量 57
4.4.2 射流速度與霧化模式 58
4.4.3 撞擊角度與霧化場基本形狀 60
4.4.4 碳顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，粒徑與霧化效果 62
4.5 小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 65
第5章 含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑霧化場速度分析 66
5.1 引言 66
5.2 霧化場速度的實驗測量方法 67
5.2.1 基于LDV的霧化場速度測量 67
5.2.2 基于PIV的霧化場速度測量 68
5.3 基于SIFT關(guān)鍵點匹配的霧化速度計算方法 69
5.3.1 SIFT關(guān)鍵點計算 70
5.3.2 霧化場關(guān)鍵點匹配 74
5.3.3 霧化場速度計算 75
5.3.4 速度計算誤差分析 77
5.4 霧化場速度分析 79
5.4.1 霧化場速度分布 80
5.4.2 霧化場平均速度 83
5.5 液膜參數(shù)計算 84
5.5.1 液膜厚度估計 84
5.5.2 液膜雷諾數(shù)與韋伯?dāng)?shù) 87
5.6 小結(jié) 88
參考文獻(xiàn) 89
第6章 凝膠推進(jìn)劑霧化液膜特性分析 91
6.1 引言 91
6.2 液膜形狀分析 91
6.2.1 靜止反對稱波理論 92
6.2.2 液膜形狀特性預(yù)測 93
6.3 液膜破碎特性分析 97
6.3.1 傳統(tǒng)線性穩(wěn)定理論 97
6.3.2 考慮射流撞擊作用的改進(jìn)線性穩(wěn)定理論 100
6.3.3 液膜破碎特性的實驗分析 102
6.3.4 液膜破碎長度的傳統(tǒng)線性穩(wěn)定理論與實驗結(jié)果對比 106
6.3.5 液膜不穩(wěn)定波特性的實驗分析 107
6.3.6 液膜波長的線性穩(wěn)定理論與實驗結(jié)果的對比 111
6.4 小結(jié) 112
參考文獻(xiàn) 113
第7章 凝膠推進(jìn)劑霧化仿真基本理論 115
7.1 引言 115
7.2 數(shù)值模擬方法在霧化仿真中的應(yīng)用 115
7.2.1 VOF方法 116
7.2.2 CLSVOF方法 118
7.2.3 SPH方法 123
7.3 SPH方法基本理論 7.3.5人工應(yīng)力 130
7.3.6 人工擴散--SPH方法 131
7.3.7 時間積分 132
7.4 SPH固壁邊界施加模型 133
7.4.1 基于鏡像粒子和虛粒子法的固壁邊界施加模型 133
7.4.2 基于虛粒子法的固壁邊界施加模型 135
7.4.3 算例驗證 137
7.5 基于CSF模型的表面張力算法 142
7.5.1 CSF模型 142
7.5.2 CSPM修正的表面張力算法 143
7.5.3 算例驗證 145
7.6 大密度差氣液兩相流SPH方法 148
7.6.1 連續(xù)性方程 148
7.6.2 動量方程中的壓力項 149
7.6.3 動量方程中的黏性項 149
7.6.4 人工黏性 150
7.6.5 人工應(yīng)力 151
7.6.6 驗證算例 151
7.7 SPH粒子優(yōu)化算法 154
7.7.1 粒子分裂模型 154
7.7.2 混合粒子作用格式 155
7.7.3 粒子優(yōu)化計算流程 157
7.7.4 粒子優(yōu)化算法誤差分析 158
7.7.5 相互作用的對稱化與光滑長度 160
7.7.6 算例驗證 161
7.8 隱式時間積分方法 178
7.9 SPH蒸發(fā)燃燒模型 181
7.9.1 SPH蒸發(fā)模型 181
7.9.2 SPH燃燒模型 190
7.10 小結(jié) 201
參考文獻(xiàn) 202
第8章 凝膠推進(jìn)劑噴注霧化過程的SPH數(shù)值模擬 206
8.1 引言 206
8.2 凝膠推進(jìn)劑噴注過程仿真 206 124
7.3.1 SPH插值算法 124
7.3.2 Navier-Stokes方程及SPH離散 127
7.3.3 狀態(tài)方程 128
7.3.4 黏性耗散 129
7.3.5 人工應(yīng)力 130
7.3.6 人工擴散--SPH方法 131
7.3.7 時間積分 132
7.4 S H固壁邊界施加模型 133
7.4.1 基于鏡像粒子和虛粒子法的固壁邊界施加模型 133
7.4.2 基于虛粒子法的固壁邊界施加模型 135
7.4.3 算例驗證 137
7.5 基于CSF模型的表面張力算法 142
7.5.1 CSF模型 142
7.5.2 CSPM修正的表面張力算法 143
7.5.3 算例驗證 145
7.6 大密度差氣液兩相流SPH方法 148
7.6.1 連續(xù)性方程 148
7.6.2 動量方程中的壓力項 149
7.6.3 動量方程中的黏性項 149
7.6.4 人工黏性 150
7.6.5 人工應(yīng)力 151
7.6.6 驗證算例 151
7.7 SPH粒子優(yōu)化算法 154
7.7.1 粒子分裂模型 154
7.7.2 混合粒子作用格式 155
7.7.3 粒子優(yōu)化計算流程 157
7.7.4 粒子優(yōu)化算法誤差分析 158
7.7.5 相互作用的對稱化與光滑長度 160
7.7.6 算例驗證 161
7.8 隱式時間積分方法 178
7.9 SPH蒸發(fā)燃燒模型 181
7.9.1 SPH蒸發(fā)模型 181
7.9.2 SPH燃燒模型 190
7.10 小結(jié) 201
參考文獻(xiàn) 202
第8章 凝膠推進(jìn)劑噴注霧化過程的SPH數(shù)值模擬 206
8.1 引言 206
8.2 凝膠推進(jìn)劑噴注過程仿真 206
8.2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)及噴注仿真模型 206
8.2.2 噴注仿真結(jié)果分析 208
8.3 撞擊式霧化過程SPH方法的校驗與驗證 214
8.3.1 計算模型與步驟 214
8.3.2 牛頓流體撞擊式霧化的數(shù)值模擬與驗證 216
8.3.3 冪律流體撞擊式霧化的數(shù)值模擬與驗證 219
8.4 凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化影響因素數(shù)值分析 220
8.4.1 射流速度對霧化影響的數(shù)值分析 220
8.4.2 撞擊角度對霧化影響的數(shù)值分析 222
8.4.3 噴嘴直徑對霧化影響的數(shù)值分析 223
8.5 雙組元凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的數(shù)值分析 225
8.6 含碳顆粒凝膠推進(jìn)劑撞擊式霧化的數(shù)值分析 231
8.6.1 射流撞擊模型 231
8.6.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析 232
8.7 凝膠推進(jìn)劑二次霧化仿真 236
8.7.1 凝膠推進(jìn)劑液滴碰撞問題 236
8.7.2 液滴在氣體場中的變形破碎問題 238
8.8 凝膠單滴蒸發(fā)與燃燒過程仿真 241
8.8.1 強迫對流環(huán)境下冪律型凝膠液滴蒸發(fā)數(shù)值模擬 241
8.8.2 強迫對流環(huán)境下冪律型凝膠液滴燃燒數(shù)值模擬 246
8.8.3 凝膠液滴微爆過程數(shù)值模擬 248
8.9 小結(jié) 252
參考文獻(xiàn) 253
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