[发明专利]一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法

说明书

本发明涉及一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，以解决目前固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化过程，及难以通过仿真技术构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场的技术问题。该方法包括以下步骤：1、以喷嘴的中心轴线为中心，沿圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开构建一阶横向振型；2、按笛卡尔网格的格式对方形计算域进行空间离散；3、采用树形网格自适应方法，通过设定自适应加密准则，对计算域中网格进行加密；4、通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场；5、在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造一阶横向振荡压力场；6、将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解。

技术领域

本发明涉及撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，具体涉及一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法。

背景技术

撞击式喷嘴是液体火箭发动机中广泛应用的喷注雾化单元，其工作原理是借助两束液体射流的相互撞击完成雾化过程，具有结构简单紧凑，响应快，能迅速完成混合和燃烧过程等优点。撞击式喷嘴的雾化过程大致可以分为三个子过程：一是两束射流的喷射；二是射流在撞击点处径向铺展形成液膜；三是液膜在各种不稳定因素的作用下波动破碎形成液丝、液滴。

在撞击式喷注器的研发过程中，燃烧不稳定是经常遇到的技术问题，出现燃烧不稳定时的显著特征是雾化过程出现了与燃烧室固有声学振型一致的大幅值压力振荡。相关研究表明撞击式喷嘴的雾化过程是燃烧不稳定激发与维持的关键因素，因此，研究压力振荡条件下的雾化过程对于揭示喷雾诱发燃烧不稳定机理以及实现燃烧不稳定的主动控制至关重要。

实验研究压力振荡条件下的雾化过程较为困难，主要原因在于通过实验难以构造出与燃烧室固有声学模态一致的大幅值振荡压力场，并且实验的测量诊断方法相对有限，难以获得有效的数据信息。而随着数值模拟技术的发展，计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)逐渐应用于三维瞬态雾化过程的求解，一条可行的途径是通过数值模拟取代实验研究压力振荡下的雾化过程。雾化过程涉及多相、多尺度的流动过程，需要处理相界面捕捉的问题，对网格尺度以及时间步长要求很高，传统上采用固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化问题的求解，亟须建立一种精度较高、计算量较小的雾化仿真方法。

研究反压振荡条件下的雾化过程，需要迫切解决的技术问题有：1)如何建立一种雾化过程的仿真方法，可以实现雾化过程准确的求解；2)考虑气相的压缩性与压力波的传播过程，如何构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场，并实现振荡压力场与雾化过程的耦合求解。

发明内容

本发明的目的在于解决目前固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化过程，以及无法通过仿真技术构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场的技术问题，提出一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法。

本发明提供的技术方案为：

一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、基于仿真软件中的撞击式喷嘴，以喷嘴的中心轴线为中心，沿圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开使环形计算域转为方形计算域，将计算域中的一阶切向振型转为一阶横向振型；

S2、按照笛卡尔网格的格式对所述方形计算域进行空间离散；

S3、基于步骤S2中空间离散后的计算域，采用树形网格自适应方法，通过设定气液界面网格体积分数大于0小于1时进行加密的自适应加密准则，对计算域中网格进行自适应加密处理；

将自适应加密处理后的网格导入求解软件，通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场；

同时基于步骤S2中空间离散后的计算域，设定液膜方向与压力波的传播方向垂直，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场；