凝胶推进剂雾化的实验与SPH数值模拟研究

本书是论述凝胶推进剂雾化实验及采用SPH方法进行数值模拟的专著。全书共分八章：绪论、凝胶推进剂的制备及流变特性测量、凝胶推进剂撞击雾化实验及分析、含碳颗粒凝胶推进剂撞击雾化实验及分析、凝胶推进剂雾化场速度测量及分析、凝胶推进剂雾化理论、凝胶推进剂雾化仿真基本理论及凝胶推进剂喷注雾化过程的SPH数值模拟。本书适用于高年级的本科学生、研究生、在工程和科学方面的研究人员和专业人员。本书所论述的实验过程、方法和结论对于在火箭发动机研制和计算流体力学领域中进行研究的航天、力学、工程热物理等专业的学生、工程师、研究人员和专业人员来说实用性较高。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 凝胶推进剂及其雾化问题 1
1.2 凝胶推进剂雾化实验研究进展 3
1.3 凝胶推进剂雾化理论研究进展 8
1.4 凝胶推进剂雾化仿真研究进展 9
1.5 本书的结构体系 11
参考文献 12
第2章 凝胶推进剂的制备及流变特性测量 17
2.1 引言 17
2.2 凝胶模拟液的制备 17
2.2.1 胶凝剂的选择 17
2.2.2 凝胶模拟液制备方法 18
2.2.3 凝胶模拟液的组分及物性参数 19
2.3 凝胶模拟液流变特性 20
2.3.1 测量仪器及基本原理 20
2.3.2 流变模型的确定 22
2.3.3 触变性分析 24
2.4 凝胶模拟液的稳定性 25
2.4.1 凝胶模拟液的贮存稳定性 25
2.4.2 凝胶模拟液的离心稳定性 26
2.5 小结 26
参考文献 26
第3章 凝胶推进剂撞击雾化实验及分析 28
3.1 引言 28
3.2 凝胶模拟液撞击式雾化实验 28
3.2.1 实验系统组成 28
3.2.2 关键仪器设备 29
3.3 凝胶模拟液撞击雾化实验工况设计 32
3.4 凝胶推进剂雾化特性的表征 34
3.5 凝胶推进剂雾化影响因素分析 36
3.5.1 射流速度对雾化的影响 36
3.5.2 撞击角度对雾化的影响 38
3.5.3 喷嘴直径对雾化的影响 41
3.5.4 喷嘴长径比对雾化的影响 42
3.5.5 胶凝剂含量对雾化的影响 44
3.6 液膜形状与无量纲参数组的关系式 46
3.7 小结 48
参考文献 49
第4章 含碳颗粒凝胶推进剂撞击雾化实验及分析 50
4.1 引言 50
4.2 含碳颗粒凝胶推进剂模拟液的制备及流变特性 50
4.2.1 模拟液制备 50
4.2.2 模拟液流变特性测量 52
4.2.3 模拟液本构方程 54
4.3 雾化实验工况设计 55
4.4 含碳颗粒凝胶推进剂雾化实验结果分析 57
4.4.1 喷注压力与体积流量 57
4.4.2 射流速度与雾化模式 58
4.4.3 撞击角度与雾化场基本形状 60
4.4.4 碳颗粒的质量分数，粒径与雾化效果 62
4.5 小结 64
参考文献 65
第5章 含碳颗粒凝胶推进剂雾化场速度分析 66
5.1 引言 66
5.2 雾化场速度的实验测量方法 67
5.2.1 基于LDV的雾化场速度测量 67
5.2.2 基于PIV的雾化场速度测量 68
5.3 基于SIFT关键点匹配的雾化速度计算方法 69
5.3.1 SIFT关键点计算 70
5.3.2 雾化场关键点匹配 74
5.3.3 雾化场速度计算 75
5.3.4 速度计算误差分析 77
5.4 雾化场速度分析 79
5.4.1 雾化场速度分布 80
5.4.2 雾化场平均速度 83
5.5 液膜参数计算 84
5.5.1 液膜厚度估计 84
5.5.2 液膜雷诺数与韦伯数 87
5.6 小结 88
参考文献 89
第6章 凝胶推进剂雾化液膜特性分析 91
6.1 引言 91
6.2 液膜形状分析 91
6.2.1 静止反对称波理论 92
6.2.2 液膜形状特性预测 93
6.3 液膜破碎特性分析 97
6.3.1 传统线性稳定理论 97
6.3.2 考虑射流撞击作用的改进线性稳定理论 100
6.3.3 液膜破碎特性的实验分析 102
6.3.4 液膜破碎长度的传统线性稳定理论与实验结果对比 106
6.3.5 液膜不稳定波特性的实验分析 107
6.3.6 液膜波长的线性稳定理论与实验结果的对比 111
6.4 小结 112
参考文献 113
第7章 凝胶推进剂雾化仿真基本理论 115
7.1 引言 115
7.2 数值模拟方法在雾化仿真中的应用 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方法基本理论 7.3.5人工应力 130
7.3.6 人工扩散–SPH方法 131
7.3.7 时间积分 132
7.4 SPH固壁边界施加模型 133
7.4.1 基于镜像粒子和虚粒子法的固壁边界施加模型 133
7.4.2 基于虚粒子法的固壁边界施加模型 135
7.4.3 算例验证 137
7.5 基于CSF模型的表面张力算法 142
7.5.1 CSF模型 142
7.5.2 CSPM修正的表面张力算法 143
7.5.3 算例验证 145
7.6 大密度差气液两相流SPH方法 148
7.6.1 连续性方程 148
7.6.2 动量方程中的压力项 149
7.6.3 动量方程中的黏性项 149
7.6.4 人工黏性 150
7.6.5 人工应力 151
7.6.6 验证算例 151
7.7 SPH粒子优化算法 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 粒子优化计算流程 157
7.7.4 粒子优化算法误差分析 158
7.7.5 相互作用的对称化与光滑长度 160
7.7.6 算例验证 161
7.8 隐式时间积分方法 178
7.9 SPH蒸发燃烧模型 181
7.9.1 SPH蒸发模型 181
7.9.2 SPH燃烧模型 190
7.10 小结 201
参考文献 202
第8章 凝胶推进剂喷注雾化过程的SPH数值模拟 206
8.1 引言 206
8.2 凝胶推进剂喷注过程仿真 206 124
7.3.1 SPH插值算法 124
7.3.2 Navier-Stokes方程及SPH离散 127
7.3.3 状态方程 128
7.3.4 黏性耗散 129
7.3.5 人工应力 130
7.3.6 人工扩散–SPH方法 131
7.3.7 时间积分 132
7.4 S H固壁边界施加模型 133
7.4.1 基于镜像粒子和虚粒子法的固壁边界施加模型 133
7.4.2 基于虚粒子法的固壁边界施加模型 135
7.4.3 算例验证 137
7.5 基于CSF模型的表面张力算法 142
7.5.1 CSF模型 142
7.5.2 CSPM修正的表面张力算法 143
7.5.3 算例验证 145
7.6 大密度差气液两相流SPH方法 148
7.6.1 连续性方程 148
7.6.2 动量方程中的压力项 149
7.6.3 动量方程中的黏性项 149
7.6.4 人工黏性 150
7.6.5 人工应力 151
7.6.6 验证算例 151
7.7 SPH粒子优化算法 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 粒子优化计算流程 157
7.7.4 粒子优化算法误差分析 158
7.7.5 相互作用的对称化与光滑长度 160
7.7.6 算例验证 161
7.8 隐式时间积分方法 178
7.9 SPH蒸发燃烧模型 181
7.9.1 SPH蒸发模型 181
7.9.2 SPH燃烧模型 190
7.10 小结 201
参考文献 202
第8章 凝胶推进剂喷注雾化过程的SPH数值模拟 206
8.1 引言 206
8.2 凝胶推进剂喷注过程仿真 206
8.2.1 喷嘴结构及喷注仿真模型 206
8.2.2 喷注仿真结果分析 208
8.3 撞击式雾化过程SPH方法的校验与验证 214
8.3.1 计算模型与步骤 214
8.3.2 牛顿流体撞击式雾化的数值模拟与验证 216
8.3.3 幂律流体撞击式雾化的数值模拟与验证 219
8.4 凝胶推进剂撞击式雾化影响因素数值分析 220
8.4.1 射流速度对雾化影响的数值分析 220
8.4.2 撞击角度对雾化影响的数值分析 222
8.4.3 喷嘴直径对雾化影响的数值分析 223
8.5 双组元凝胶推进剂撞击式雾化的数值分析 225
8.6 含碳颗粒凝胶推进剂撞击式雾化的数值分析 231
8.6.1 射流撞击模型 231
8.6.2 数值模拟结果分析 232
8.7 凝胶推进剂二次雾化仿真 236
8.7.1 凝胶推进剂液滴碰撞问题 236
8.7.2 液滴在气体场中的变形破碎问题 238
8.8 凝胶单滴蒸发与燃烧过程仿真 241
8.8.1 强迫对流环境下幂律型凝胶液滴蒸发数值模拟 241
8.8.2 强迫对流环境下幂律型凝胶液滴燃烧数值模拟 246
8.8.3 凝胶液滴微爆过程数值模拟 248
8.9 小结 252
参考文献 253