中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

超声速气流中液体横向射流雾化过程数值模拟

为了更加深入了解超燃冲压发动机燃烧室中的燃料雾化机理,对来流Mach数为1.94的超声速气流中液体横向射流的雾化过程进行了数值模拟研究.计算采用Euler-Lagrange方法,液滴二次破碎模型采用K-H/R-T模型.计算结果表明:考虑液滴二次破碎时,采用雾化锥模型获得的射流穿透深度以及液滴速度分布与实验结果符合得很好;初始液滴直径对射流穿透深度和液滴分布的影响很小;随着初始雾化锥角的增加,相同横截面上的射流穿透深度逐渐减小.当不考虑液滴二次破碎时,液滴穿透深度及分布与所选的初始液滴直径有很大关系.      

毛细喷孔超高速水射流的脉动及破碎

水切割射流的动力学特性的诸多方面尚未得到认识和理解。本文对毛细喷孔产生的超高压水射流展开可视化研究,分析了常规压力及超高压条件下毛细水射流的液体破碎机制并对超高压毛细射流的脉动现象进行了讨论。常规条件下的毛细射流遵从经典的破碎模式;在超高压条件下,射流完整段呈瑞利模式,完整段以下呈雾化破碎模式,射流集束性呈现周期性变化。结果表明,传统理论不能够表达小孔径时超高速毛细水射流的破碎特性;喷孔内部流动情况如流动分离及空化成为该条件下射流破碎和脉动的重要原因。     

温度场内可吸入颗粒物运动特性的实验研究

对温度场内可吸入颗粒物的运动特性进行了实验研究,使用PDA测量了场内可吸入颗粒物的速度和浓度分布等参数,研究了实验段入口速度和温度等操作参数对温度场内颗粒相运动特性的影响.结果表明,在近冷壁区边界层内,PM2.5的轴向速度和脉动速度变化很大,颗粒因热泳力及扩散作用会向冷壁面运动并产生沉积.在实验研究的基础上,提出了计算温度场内PM2.5沉积效率的经验公式.     

液体横向射流在气膜作用下的破碎过程

为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程,采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究,模拟介质为水和空气.研究结果表明,液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程:柱状破碎和表面破碎.Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因,气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎,破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布.Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因,液丝和液滴从射流表面剥离.局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响,当局部动量比较低时,液体射流的破碎由K-H不稳定性主导;随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导.液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.     

组合电极荷电雾化的实验研究

为合理设计微小尺度液体燃料荷电喷雾燃烧器,开展了不同运行参数下喷雾特性的PDA(相位多普勒粒子分析仪)实验研究.实验段采用由喷嘴电极-环形电极-收集网格形成的组合电极结构,以乙醇为燃料,控制不同的喷嘴电压、环形电极电压、流量、收集网格位置等参数,测试了不同条件下的喷雾粒径、轴向速度、轴向脉动速度.在本文实验工况下发现:喷嘴电极电压的增加,粒径和速度减小.环形电极可显著减小喷雾粒径和速度。在环形电极感应荷电的作用下,粒径随着环形电极电压增加而增大。流量越小,粒径、速度越小,喷雾更稳定.增大收集网格到喷嘴出口距离,由于液滴蒸发的作用会使液滴粒径变小,在液滴粒径变小和黏滞力的双重作用下液滴轴向速度减小。     

单液滴撞击倾斜液膜飞溅过程的耦合Level Set-VOF模拟

采用耦合水平集--体积分数法(CLSVOF)对液滴撞击倾斜表面液膜后液膜的形态演化及飞溅过程进行数值模拟, 并对液滴撞击液膜过程中形成的空气卷吸现象进行研究并探讨了撞击角对此的影响, 分析了液滴撞击后液体内部的压力和速度分布, 对液滴撞击倾斜表面液膜的飞溅过程进行讨论, 并与实验结果进行了对比, 验证了CLSVOF方法研究液滴撞击倾斜液膜的可行性. 结果表明, 液滴撞击倾斜液膜时前后两部分飞溅现象产生的机理不同, 前半部分飞溅是由于压差引起的颈部射流, 而后半部分则是由液膜径向流动产生的飞溅现象. 随着撞击角的增大, 空气卷吸气泡数量减少.     

喷嘴结构调节毛细超高压射流流动特性

要实现超高压水射流的稳定性调控首先必须对其流动特性展开探索。设计了四种喷嘴出口流道结构,对其产生的射流进行了测量,并结合数值模拟对实验反映出的物理现象进行了诠释。结果显示:圆柱形出口流道喷嘴,其射流流动形态受雷诺数变化影响不明显,射流与环境气体界面近似为圆锥。而圆柱与圆锥组合型出口流道喷嘴,其射流结构形态随雷诺数变化显著。这表明具有特定结构,不与射流直接接触的出口流道,也能对气液边界层湍流产生显著影响,从而对射流流动特性起到调节作用。在雷诺数120000~130000范围内,提出能显著提高射流能量集中性的最佳结构形式及参数:锥角为90°,圆锥与圆柱组合型出口流道。这些发现为最终实现射流流动控制提供了研究方向的引导。     

双液滴同时垂直撞击壁面的数值研究

采用质量守恒的level set方法对双液滴同时垂直撞击干壁面后的流动过程进行了模拟研究,主要讨论了韦伯数(We)、壁面接触角(θ)以及双液滴水平间距(S)等物理参数对相界面流动过程的影响,分析了不同参数下射流高度和水平铺展半长随时间的变化规律.研究表明:We数较大时,中心射流液柱将产生二次液滴,随后液柱反弹至空中,且We数越大,中心射流产生的二次液滴次数越多,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越大;随壁面接触角的增大,中心射流液柱出现反弹现象,水平铺展液流出现断裂的时间越早,最大无量纲射流高度和最大无量纲铺展半长越小;最大无量纲射流高度值与液滴水平间距的相关性不单调,铺展半长随水平间距的增大而增大.     

中心体喷嘴自由水射流的波动与能量分布特性

在15 MPa射流压力条件下,对一中心体喷嘴进行自由水射流实验.用高速数码摄像技术捕捉喷嘴出口附近的瞬态流束界面波动特征;用相位多普勒粒子分析技术(PDPA)测量充分发展的射流场中的平均速度、均方根速度及液滴粒径分布.研究表明,中心体喷嘴射流流束的界面波动明显,远离喷嘴出口,流束界面波动频率降低,但波动幅值增大;射流轴...     

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

喷雾参数对溶液热等离子体喷涂的影响

本文应用溶液注入热等离子体喷徐传热和流动过程的三维数学模型.对溶液喷雾喷入参数对溶液喷雾在热等离子体射流中运动和加热历程的影响进行了研究.结果表明以一定的角度逆向喷入溶液可以强化溶液喷雾的加热蒸发过程,在一定范围内提高溶液初始喷入速度,可以使小粒径的液滴获得较大的动量进入射流高温区获得充分加热.结果还表明,为了得到致密...     

1985nm激光加热下水滴蒸发实验研究

设计了激光加热液滴蒸发的实验装置,使用石英丝对液滴进行悬挂,采用1985 nm波长激光器对液滴进行加热,利用显微摄像头和红外热像仪对蒸发过程进行监测,通过分析软件得到液滴直径、表面温度分布等相关参数。实验结果表明,激光加热下液滴蒸发过程包括预热段和主蒸发段,预热段液滴尺寸变化不明显,主蒸发曲线同d~2定律相差较大。整个蒸发过程中液滴温度呈现明显的不均匀性,并从液滴预热段温度变化上发现明显的液滴内部流动现象。此外,随着功率增大,蒸发速率也随之增大,液滴蒸发时间缩短,液滴的最高温度升高。     

层流与湍流等离子体冲击射流特性比较

本文采用数值模拟方法,对层流与湍流氩等离子体射流在空气环境中冲击平板时的流动与传热特性进行了对比研究.结果表明,在平板和射流进口间的距离较大时,平板的存在只对其附近的射流参数分布有较大影响,层流等离子体冲击射流的温度与轴向速度的轴向梯度明显小于湍流等离子体冲击射流情形;由于在平板表面形成的径向壁面射流对引射的附加贡献,层流和湍流等离子体冲击射流对环境空气的引射量明显增加.     

结冰环境热合成双射流激励器工作特性数值研究

为研究结冰环境中热合成双射流激励器工作特性,采用离散相模型(discrete phase model,DPM),结合动网格方法,数值研究了结冰环境中来流速度、液滴含量、液滴直径对激励器工作特性的影响.结果表明,来流速度较小时,双射流激励器出口形成热合成射流融合区,由于热射流的加热作用,温度较高,环境中的过冷液滴难以进入...     

疏水表面单液滴荷电蒸发的特性研究

综合运用PIV、高速数码及图像处理技术,对不同电导率液滴在外加电场下蒸发的显微形貌特征及内部微流动进行了可视化研究。通过荷电液滴内部的速度云图及流线图,探究内部流动速度及流动状态与电场力、液体电导率等因素的关系,对液滴荷电蒸发过程的各个蒸发模式进行了定义。给出了液滴的内部微流动与电场力的关系,对疏水表面液滴荷电蒸发过程的变化趋势进行了标准化处理,给出相应方程,并与实验进行了对比。     

微尺度平面射流冲击的强化传热实验研究

本文以煤油为工质进行了窄缝射流冲击传热实验研究。对射流冲击平板时的局部传热分布做了测定，并发现了局部换热强化现象，这是由于存在壁面射流区边界层流动由层流向湍流的过渡。实验采用宽度为１２５μｍ的窄缝喷嘴，射流出口速度为６～１４ｍ／ｓ，雷诺数Ｒｅ范围６００～１２００。     

同轴流动聚焦中射流不稳定性的理论研究

壳核结构的微胶囊在医学药学材料食品农业等领域具有广泛的应用前景, 其制备方法一直是相关领域关注的焦点.同轴流动聚焦(co-flow focusing)是一种新型制备技术, 利用复合射流的破碎制备微胶囊具有包裹率高过程量化可控参数域广产率高等诸多优势.在实验中, 复合射流的破碎受到多个过程参数的影响, 并涉及了多层界面的耦合效应.利用简化的物理模型, 在时间和时空域中分析了三相水-油-水复合射流不稳定性的发展和演化.在黏性流体线性稳定性理论中, 同轴射流和驱动液体的基本速度型分别基于管流和误差函数构造, 并通过数值方法求解满足相应边界条件下的线化小扰动控制方程.结果表明:增加内外层界面的界面张力均有利于射流的破碎; 流体的黏性对同轴射流的稳定性均有着促进作用; 越大的黏性越小的内界面张力对应着越大的射流破碎波长; 内外界面的耦合作用以及复合液滴的包裹情况均与内外射流的半径比息息相关; 绝对-对流不稳定性转换的临界Weber数随Reynolds数内层界面张力的增大而增大, 随内层和驱动流体的黏性增大而减小.这些结果将有助于提高液体驱动下同轴流动聚焦技术的过程控制, 为实际应用提供理论指导.      

冲击诱导金属铝表面微射流现象的微观模拟

采用嵌入原子势分子动力学模拟方法, 研究了金属铝表面沟槽在冲击下形成微射流的微观过程和动力学性质. 通过对模拟结果的统计分析, 获得了较宽冲击压力范围内微射流形态的变化规律, 以及相应的质量-空间分布和质量-速度分布变化. 基于原子中心对称参数, 分析了样品近表面非晶态转变和卸载熔化过程, 获得了卸载熔化对微射流质量及其分布的影响规律. 研究还发现: 样品熔化之前, 微射流质量与波后粒子速度呈线性增加关系; 卸载熔化出现后, 微射流质量开始迅速增加; 当卸载熔化速度足够快时, 金属强度效应可忽略, 此时微射流质量与波后粒子速度再次表现出线性增加关系.     

矩形通道内横流喷雾掺混流场的实验研究

应用PIV系统对矩形通道内横流-喷雾掺混过程中液滴沿横流方向的流场进行了实验测量.分别获得了单喷嘴和双喷嘴下横流掺混中的流场结构,以及液滴的水平速度分布.横流作用下,液滴的最大水平速度为横流速度的两倍左右;反旋涡对降低了液滴的水平速度,提高了液滴在横流中的停留时间.双喷嘴条件下,横流截面上的液滴密集区域呈狭长的三角形,...