本文以液体火箭发动机为工程背景,针对绿色高能HAN基液体推进剂模拟工质,从实验、理论分析、数值模拟三方面研究了对撞式喷嘴在大气环境以及模拟燃烧室内的喷雾特性。主要研究内容及成果如下:(1)采用相位多普勒粒子动态测试仪(PDA)分别测量了大气环境下和模拟燃烧室内对撞喷嘴喷雾场的特性参数,结果表明:在大气环境中,喷射压力增加,液滴粒径在同截面处变小,通过提高喷射压力来改进雾化质量时,喷射压力存在最佳值。在模拟燃烧室内,当喷射压力大于2.2MPa时,提高压力对液滴D32基本没有影响。在喷雾场上游,液滴数目沿径向的分布波动幅度较大,喷雾场下游液滴分布更加均匀;相同喷射压力,模拟燃烧室内同截面处液滴粒径、速度分别大于大气环境中液滴粒径和速度。(2)以最大熵原理为基础,在质量守恒和概率和为定值的约束条件下,用拉格朗日因子法则推导了液滴尺寸分布函数,建立了 HAN基液体推进剂喷雾场液滴尺寸分布的简化模型,Nukiyama-Tanasawa分布函数dN/dD=aD2exp(-bDq)。结果表明:改变q值可对数目微分分布进行修正,通过数值拟合可得q值与喷射压力之间的函数关系q(p)=-3.44× 10-3 ×p2 +1.525×10-1 ×p+1.268;计算得出的液滴数目微分分布与对撞式喷嘴喷雾场液滴的实测数据变化趋势相符。(3)建立了对撞式喷嘴二维、三维非稳态喷雾过程的数学物理模型(包括连续相控制方程、离散相控制方程),选用离散相模型(DPM)计算离散相与连续相的耦合,其中离散相部分是液滴,气相采用SST κ-ω湍流模型,液滴破碎使用WAVE模型。对大气环境和模拟燃烧室建模并进行二维网格与三维网格的划分,并进行网格无关性验证,为对撞式喷嘴的二维与三维数值计算奠定基础。(4)采用上述二维非稳态喷雾模型,借助Fluent软件进行数值模拟,在大气环境中计算得到以撞击点为顶点的锥形雾化场,液滴D32与v2计算结果与实验结果基本吻合;撞击角度增加,雾化锥角增大,喷雾场达到统计稳态的时间相应变长,液滴D32与液滴v--沿轴向均呈现减小趋势;模拟工质粘度越大,喷雾场边缘离散液滴越少,喷雾锥的形态越规整,在同轴截面处,雾化液滴平均直径增大,液滴v--减小;喷口直径越大,喷雾贯穿距增大,边缘离散液滴变少。在模拟燃烧室内,对撞角度增大,液滴D32与v2沿轴向均减小;模拟工质粘度增加,边缘聚集更多液滴,液滴D32增大;喷口直径增加,液滴D32在同截面增大。(5)采用上述三维非稳态喷雾模型,借助Fluent软件对HAN基液体推进剂模拟工质在大气环境和模拟燃烧室环境中的喷雾特性进行数值模拟。结果表明:三维非稳态模拟可以得到更好的喷雾形态,大气环境中液滴D32、v2沿轴向的模拟结果与实验结果基本吻合,最大误差为5.38%;雾化场液滴粒径沿周向分布不均匀,随着径向距离的增加,波动程度变大;模拟燃烧室内液滴D32、v2沿轴向的计算结果与实验结果间的最大误差为4.83%,液滴平均直径D32数值计算结果与实验结果沿周向变化趋势相符。对比大气环境和模拟燃烧室内二维、三维喷雾计算结果与实验结果可知,它们的相对误差较小,说明针对对撞式喷嘴,二维非稳态喷雾模型计算结果在工程上是可用的。