● 摘要
液体射流破碎过程的研究是液体火箭发动机喷嘴雾化机理的认识基础，对液发推力室、喷嘴研制及喷雾燃烧研究具有重要的意义。射流破裂的经典理论方法是求解宏观尺度下存在扰动时射流流动的N-S方程，根据扰动波增长率随时间和空间的变化来预测射流的破裂。但是这个方法无法给出扰动的来源、发展及演变等一些更为深入的信息，造成关于液体破裂机理至今仍未有统一的认识。众所周知，分子是保持物质物理化学性质的最小单位，通过分子动力学计算可以得到流体流动更为本质的现象和规律，因此，本文采用分子动力学方法研究纳米尺度下射流及射流撞击时的破裂过程，以期更为深入地认识液体破裂雾化机理。本文围绕不同原子个数下的液氩和水的射流破碎及液氩射流互击过程开展研究，并与经典理论方法的分析结果进行了对比。论文的主要研究内容如下：第一，计算了8600个、144000个液氩原子、12750个TIP4P类型的水分子的射流破碎过程，分析了喷嘴出口直径、体积力、系统温度、憎水系数和出口形状与破碎距离及破碎时间的关系。结果表明，分子尺度下射流形状与常规尺度下射流形状相似；喷口直径、体积力和憎水系数对射流破碎过程的影响较大，系统温度和喷口形状对射流破碎过程影响较小；水射流破碎难于液氩射流；模拟所选择的原子个数对射流破碎过程影响较小。第二，对144000个液氩原子、TIP4P水模型射流破碎的分子动力学计算结果进行了统计分析，得到了射流表面波波动频率、表面波波长、射流破碎长度、液滴大小等参数。利用线性稳定性分析的方法对相同射流进行了分析，将分子动力学模拟结果和线性稳定性分析结果进行了对比。对比结果表明，分子动力学模拟结果和线性稳定性分析结果的总体变化趋势相同，两者结果的大小处于同一数量级水平。第三，计算了在180度、150度及120度撞击角下液氩射流的撞击过程，研究了两股射流的掺混和系统能量的变化。结果表明，撞击形成液膜的发展情况取决于射流速度，射流速度变化时会出现圆环和液球的形状转换；距离撞击点越近掺混程度越高，最高可达45%，随着距撞击点距离的增加，系统的掺混程度逐渐下降，最小可下降到10%左右。