热态壁面条件下的液膜冷却实验与仿真

摘要

为了获得射流流量和射流角对液膜铺展形态、壁面温度、液膜厚度的影响规律，设计并自主搭建了基于热态壁面条件的液膜冷却实验系统，开展了射流角为25°～45°、射流流量为200～400 mL·min^-1的液膜冷却实验研究。研究结果表明，随着入射角的增大，铺展长度减小，铺展宽度、扩张角增加；而在射流角一定时，随着液膜流量的增加，液膜铺展的长度、宽度和扩张角都有所增加。特别地，当射流角为25°、射流流量从300 mL·min^-1增加至400 mL·min^-1时，液膜长度最大增加量为20.94 mm,且增加射流流量能够有效降低壁面温度，当入射角为35°、液膜流量为300 mL·min^-1时，冷却前后壁面温度最大可降低141.81℃;液膜在壁面撞击点处有厚度峰值，且液膜流量越大峰值越高，当入射角为25°、流量为400 mL·min^-1时，最大峰值达679.32μm。采用流体体积法（VOF）构建了液膜冷却仿真模型，计算液膜的蒸发吸热、流动铺展过程，研究结果表明，射流流量为300 mL·min^-1时，液膜厚度模拟结果与实验结果最大偏差为7.9%,误差控制在工程应用允许的10%范围内，从而验证了VOF方法对射流撞壁形成液膜模拟的可行性。该研究可为液体火箭发动机液膜冷却技术提供一定的参考。

关键词

液体火箭发动机 / 液膜冷却 / 热态壁面条件 / 流体体积法

基金资助

国家自然科学基金资助项目(51721004)