可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值. 基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性. 结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.      

可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值.基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性.结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.     

同轴旋转可压缩流动中液体射流稳定性

基于线性稳定性理论,建立了描述同轴旋转可压缩流动中超空化条件下液体射流稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对模型中考虑的射流及气体可压缩性、气体同轴旋转以及超空化等因素对射流稳定性的影响进行了分析. 分析结果表明,模型中考虑射流及气体的可压缩性后,与不考虑可压缩性相比,计算得到的射流稳定性明显变差,最小液滴直径减小,分裂液滴直径变化范围变宽,且小液滴数量增多. 气体的同轴旋转在轴对称与非轴对称扰动下对射流稳定性的影响完全相反;轴对称扰动时,气体旋转使射流稳定性增强,而非轴对称扰动时则正好相反;气体旋转有可能导致影响射流稳定性的扰动模式发生根本性变化. 超空化使射流稳定性变差;超空化程度较弱时,超空化使分裂液滴最小直径减小,分裂液滴直径变化范围增大;而超空化达到一定程度后,进一步提高超空化程度,分裂液滴最小直径几乎保持不变.     

圆环旋转粘性液膜射流三维不稳定性研究

利用线性稳定性理论进行了射流液体粘性对圆环旋转液膜射流稳定性影响的研究,推导出了三维扰动下具有固体旋涡型速度分布的圆环旋转粘性液膜射流的色散方程;在此基础上进行了类反对称模式与类对称模式下的圆环旋转粘性液膜射流的三维不稳定性分析。研究结果表明,在类反对称模式下,液体粘性超过一定值后,射流最大扰动增长率随液体粘性的增加而迅速减小;轴对称模态的射流特征频率产生一个突降变化;随液体粘性增加,轴对称模态不稳定波数范围减小,非轴对称模态不稳定波数范围呈现出先减小后增大趋势。在类对称模式下,液体粘性对射流最大扰动增长率的影响主要体现在对非轴对称模态的影响上;液体粘性只在粘性较大时才会对非轴对称模态射流特征频率产生一定影响;液体粘性超过一定值后,轴对称模态与非轴对称模态的不稳定波数范围都会快速下降。     

非牛顿流体雾化力学机理研究

本文用稳定性分析和数值计算方法研究了粘弹性液体射流雾化的力学机理。结果表明,雾化液体的 Ohnesorge 数和 Deborah 数的增大均使波频 ω_i 降低,但前者使空间增长率 k_1上升,而后者的作用相反。本文发现,对于雾化液体应使其表面扰动波的波数大于某一确定波数,并尽量降低液体的 Deborah 数。     

同轴气流式液体射流分裂液滴粒径研究

针对同轴气流式液体射流分裂液滴粒径预测模型缺乏的现状,结合射流线性稳定性理论,建立了基于临界模数的同轴气流式黏性液体射流分裂液滴粒径表达式,在此基础上,分别研究了气流旋拧(气流同时存在轴向和周向运动)及流体物性(气体可压缩性、液体黏性、气液密度比和表面张力)对液滴粒径的影响规律.研究发现:周围气流轴向引射作用和同轴旋转...     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究

利用线性稳定性理论, 进行了液体黏性对不同旋转强度下圆环旋转液体射流 空间不稳定性影响的研究. 在推导出的三维扰动下具有固体涡核型旋转速度分布的圆环旋转 黏性液体射流色散方程的基础上, 针对中低速射流, 进行了类反对称模式与类对称模式下圆 环旋转黏性液体射流的空间不稳定性分析. 研究结果表明, 对于旋转强度较大的圆环旋转液 体射流, 液体黏性的增加, 不利于射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 射流的特征频率和最 不稳定波数减小. 然而, 对于旋转强度较小的圆环旋转液体射流, 液体黏性的增加, 有利于 射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流特征频率先减小后增大, 类对称模 式下射流特征频率增大; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流最不稳定波数先减小后 增大, 类对称模式下射流最不稳定波数增大.     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.     

通气超空泡形态稳定性的数值模拟研究

根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:模型速度,气体弹性,通气率,泄气率,流场压力、模型后体和空化器阻力系数都会对通气超空泡形态稳定性产生影响。不同类型和不同方式的扰动对通气空泡形态稳定性的影响不同,通气超空泡在受到扰动后表现出时间滞后性和振荡特性。     

自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流，采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明，由于蒸汽环境中背压较低，欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波，使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大；尾喷流很难形成规则的激波格栅，波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明，尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域；尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂，断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象；受空泡壁面约束，尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀，尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩，在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏；空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近，没有显著增加．     

Nonlinear instability of an annular liquid sheet exposed to gas flow

Nonlinear instability and breakup of an annular liquid sheet has been modeled in this paper. The liquid sheet is considered to move axially and is exposed to co-flowing inner and outer gas streams. Also, the effect of outer gas swirl on sheet breakup has been studied. In the developed model a perturbation expansion method has been used with the initial magnitude of the disturbance as the perturbation parameter. This is a comprehensive model in that other geometries of planar sheet and a coaxial jet can be obtained as limiting cases of very large inner radius and inner radius equal to zero, respectively. In this temporal analysis, the effect of liquid Weber number, initial disturbance amplitude, inner gas-to-liquid velocity ratio, outer gas-to-liquid velocity ratio and outer gas swirl strength on the breakup time is investigated. The model is validated by comparison with earlier analytical studies for the limiting case of a planar sheet as well as with experimental data of sheet breakup length available in literature. It is shown that the linear theory cannot predict breakup of an annular sheet and the developed nonlinear model is necessary to accurately determine the breakup length. In the limiting case of a coaxial jet, results show that gas swirl destabilizes the jet, makes helical modes dominant compared to the axisymmetric mode and decreases jet breakup length. These results contradict earlier linear analyses and agree with experimental observations. For an annular sheet, it is found that gas flow hastens the sheet breakup process and shorter breakup lengths are obtained by increasing the inner and the outer gas velocity. Axially moving inner gas stream is more effective in disintegrating the annular sheet compared to axially moving outer gas stream. When both gas streams are moving axially, the liquid sheet breakup is quicker compared to that with any one gas stream. In the absence of outer gas swirl, the axisymmetric mode is the dominant instability mode. However, when outer gas flow has a swirl component higher helical modes become dominant. With increasing outer gas swirl strength, the maximum disturbance growth rate increases and the most unstable circumferential wave number increases resulting in a highly asymmetric sheet breakup with shorter breakup lengths and thinner ligaments.     

Instability of a viscoelastic liquid jet with axisymmetric and asymmetric disturbances

The temporal instability behavior of a viscoelastic liquid jet in the wind-induced regime with axisymmetric and asymmetric disturbances moving in an inviscid gaseous environment is investigated theoretically. The corresponding dispersion relation between the wave growth rate and the wavenumber is derived. The linear instability analysis shows that viscoelastic liquid jets are more unstable than their Newtonian counterparts, and less unstable than their inviscid counterparts, for both axisymmetric and asymmetric disturbances, respectively. The instability behavior of viscoelastic jets is influenced by the interaction of liquid viscosity and elasticity, in which the viscosity tends to dampen the instability, whereas the elasticity results in an enhancement of instability. Relatively, the effect of the ratio of deformation retardation to stress relaxation time on the instability of viscoelastic jets is weak. It is found that the liquid Weber number is a key measure that controls the viscoelastic jet instability behavior. At small Weber number, the axisymmetric disturbance dominates the instability of viscoelastic jets, i.e., the growth rate of an axisymmetric disturbance exceeds that of asymmetric disturbances. When the Weber number increases, both the growth rate and the instability range of disturbances increase drastically. The asymptotic analysis shows that at large Weber number, more asymmetric disturbance modes become unstable, and the growth rate of each asymmetric disturbance mode approaches that of the axisymmetric disturbance. Therefore, the asymmetric disturbances are more dangerous than that of axisymmetric disturbances for a viscoelastic jet at large Weber numbers. Similar to the liquid Weber number, the ratio of gas to liquid density is another key measure that affects the viscoelastic jet instability behavior substantially.     

悬浮固粒分区存在对射流稳定性的影响

本文利用气固两相耦合模型,理论推导出大雷诺数下悬浮固粒分区存在的射流稳定性方程,通过数值计算得到了固粒存在不同流域时流场扰动放大因子曲线和波速曲线。进而,在分析所得稳定性曲线的基础上,得到了关于固粒充满全流场、存在于射流区及存在于非射流区对流场中扰动增长及扰动传播影响的重要结论。这些结论对气固两相射流场的发展的认识和工程实际中实施对气固两相射流场的人工控制有指导意义。     

饱含液体的单胞结构对射流的干扰特性分析

基于虚拟原点理论、冲击波反射理论和射流干扰理论,考虑液体的喷散特性和径向汇聚特性,改进并完善了射流侵彻饱含液体的单胞结构的理论模型,得到了精确的射流受干扰速度区间的表达式、液体喷散速度的表达式和液体喷散流量的表达式。通过对比理论和试验得到的射流受干扰的速度区间,证明了本文理论模型的可靠性。研究结果表明:液体的喷散和径向汇聚都会影响射流的稳定性,使射流出现颈缩和提前断裂,降低射流的剩余头部速度从而降低射流的剩余侵彻能力。     

Research on stability of interface of jet containing suspended solid particles

Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ　αｓ:ｐａｒｔｉｃｌｅｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ;　ｕｇ:ｇａｓｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒ;　ｕｓ:ｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒ;　Ｕ :ｍｅａｎａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｗｏ＿ｐｈａｓｅｊｅｔ;　Ｕ0 :ｘ＿ａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｅｘｉｔ,ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｖｅ ｌｏｃｉｔｙｏｆｆｌｏｗ＿ｆｉｅｌｄ;　ｐ:ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗ＿ｆｉｅｌｄｐｒｅｓｓｕｒｅ;　 ｐ:ｍｅａｎ…