超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型

对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型.基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失,提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型.利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像,研究的参数变量包括液体喷注压降(1—2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm/1.0 mm)及液气动量比(3.32—7.27).研究结果表明,采用连续液柱模型可以较好地预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态,并可较为真实地反映实际流场特征,预测结果与实验结果吻合良好.     

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

将实验测得的电弧放电能量分布规律拟合为理想热源,采用数值仿真方法对一种高频等离子体射流激励器进行参数化研究,探索了激励器出口角度对激励器静特性的影响,并获得了在超声速来流(Ma0=2.0)情况下射流激励器的高速特性。结果显示:当射流出口流通面积相同时射流出口角度越小,激励器沿流向的动量注入能力越强,并且这一规律在高速射流条件的情况下仍然适用。相比静止条件,在超声速来流条件下,射流的动量注入能力更强,影响域更大。     

等离子体激励器的静特性与高速特性仿真研究

将实验测得的电弧放电能量分布规律拟合为理想热源,采用数值仿真方法对一种高频等离子体射流激励器进行参数化研究,探索了激励器出口角度对激励器静特性的影响,并获得了在超声速来流(Ma0=2.0)情况下射流激励器的高速特性。结果显示:当射流出口流通面积相同时射流出口角度越小,激励器沿流向的动量注入能力越强,并且这一规律在高速射流条件的情况下仍然适用。相比静止条件,在超声速来流条件下,射流的动量注入能力更强,影响域更大。     

横向气膜作用下液体射流在近喷孔区域的破碎雾化特性

为了深入理解横向气膜作用下液体射流的破碎雾化特性,设计了一种以空气和水为模拟介质的针栓喷注单元,并通过两相流大涡模拟和背景光成像对大气环境下其近喷孔区域内的液体射流破碎过程和动态特性进行研究.通过大涡模拟液体射流的表面波主导破碎过程得到了针栓喷注单元近喷孔区域的喷雾场建立过程,亚声速气流离开狭缝后膨胀加速为超声速气流,经过液体射流上游的脱体弓形激波后减速增压.而在液体射流上下游之间的压差作用下,射流往下游发生弯曲的同时迎风面出现Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定表面波;随着表面波的发展,气流穿透表面波的波谷位置导致连续射流发生断裂.正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法可有效重构瞬时喷雾图像,POD模态表明近喷孔区域的低频和高频喷雾振荡分别由喷雾场的整体扩张/收缩过程和液块或者液雾团在迎风面的“撞击波”型运动引起,而后者的形态属于受连续液体射流断裂前的R-T不稳定表面波影响而产生的行波结构,其无量纲行波波长与韦伯数呈幂次律关系.     

基于BOS的超声速流场瞬态密度场的可视化

瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效"冻结"超声...     

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...     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）北大核心CSCD

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

新建高焓激波风洞Ma=8飞行模拟条件的实现与超燃实验

针对高Mach数超燃冲压发动机实验能力空缺问题,基于航天十一院新建的FD-21高能脉冲风洞,进行了Ma=8超燃飞行条件的模拟能力设计与调试,获得了总焓2.9 MJ/kg、总压11.01 MPa实验条件,实现了Ma=8、高度31 km飞行条件的风洞模拟.在此基础上,研发了匹配的氢燃料供应及喷注时序控制系统,设计了超燃冲压发动机模型,开展了超燃冲压发动机模型自由射流应用性风洞实验,获得了氢气燃料与空气、氮气超声速气流耦合流动作用下的实验模型壁面压力数据.在当量比近似一致条件下,空气来流对应的燃烧室壁面压力明显高于氮气来流情况,表明氢气在1 ms有效实验时间内完成了与超声速空气来流的混合、点火与燃烧,获得燃烧释热特性,确认了在FD-21高能脉冲风洞开展高Mach数超燃实验是切实可行的,为后续研究奠定了良好的基础.      

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

拉瓦尔喷嘴的气流线质量及密度分析

喷气负载是高功率Z箍缩的主要负载之一。应用一维等熵压缩气体动力学,分析了“强光一号”加速器拉瓦尔喷嘴的基本物理过程,获得了拉瓦尔喷嘴出口处气流的马赫数,Ma=4.6,并对其进行了修正,修正值为3.5。利用由雪耙模型导出的Z箍缩聚爆时间表达式,并结合“强光一号”Z箍缩实验结果,修正了由一维等熵气体动力学得到的喷嘴气流线质量表达式。最后根据已知气流的线质量40 μg/cm ,利用B-T模型初步估算了喷嘴的气流密度分布。估算结果为:在轴向2.5~40 mm,径向0~15 mm的区域内,气体分子密度基本在1016～1017/cm3,且在轴向2 cm内基本形成空心的气体壳层结构。     

Experimental investigation of spray characteristics of a liquid jet in a turbulent subsonic gaseous crossflow

Two perforated plates with different solidity ratios, S=50% and 67%, were used to investigate the effect of the velocity fluctuations of a subsonic gaseous crossflow on the spray characteristics of a liquid jet including droplet size and velocity distributions. The experiments were conducted over a range of jet-to-crossflow momentum flux ratio of q=16.5-172, and two gas Weber numbers of ?We_g=2.7 and 5.9, corresponding to the enhanced capillary breakup and bag breakup regimes, respectively. The experimental results of this study revealed that the distribution of droplets size associated with a turbulent and a uniform crossflow for each specific breakup regime were approximately identical. The bimodal and single peak distributions of droplets size, respectively, associated with enhanced capillary and bag breakup regimes were generally consistent with the literature reports. However, the transition of the liquid primary breakup regime from enhanced capillary to bag breakup mode was delayed in a turbulent crossflow compared to its uniform counterpart. The general behavior of droplets size-velocity profiles were also consistent with the literature reports. Nonetheless, complex variations in the distribution of droplets velocity when changing the crossflow turbulence intensity were observed and linked with the presence of instabilities on the liquid jet's surface. Finally, the present experiments allowed shedding more light on the reason why the breakup mechanisms of a liquid jet in a conventional uniform crossflow should not be generalized to predict the distinct breakup process of a liquid jet in a turbulent crossflow.     

矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞的实验研究

在不同喷口间距和射流压力下开展了矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞实验并与自由射流进行了对比. 实验表明:超声速射流对撞的辐射噪声中存在四种不同的啸音模式, 且随喷口距离和射流压力的变化在不同模式间切换. 在射流压力大于0.5 MPa且喷口间距小于50 mm时, 射流对撞面在两个喷口外形成两道正激波之间, 啸音基频维持在3 kHz左右. 随喷口间距的增大或射流压力的降低, 射流对撞面在一侧喷口外的弓形激波与另一侧喷口外的正激波之间. 对撞面也有可能出现在两个弓形激波之间, 对应的啸音基频约为9 kHz, 但容易受扰动而回到喷口一侧或是在喷口之间大幅度振荡. 当射流压力小于0.36 MPa且喷口间距大于70 mm后, 对撞面在两个喷口之间大幅度振荡, 产生基频在1 kHz左右并随射流压力的降低和喷口间距的增大而降低的啸音. 关键词： 超声速射流 啸音 射流对撞 激波     

Numerical analysis of supersonic gas-dynamic characteristic in laser cutting

The influence of the processing parameters on the dynamic characteristic of supersonic impinging jet in laser cutting is studied numerically. The numerical modeling of a supersonic jet impinging on a plate with a hole is presented to analyze the gas jet–workpiece interaction. The model is able to make quantitative predictions of the effect of the standoff distance and exit Mach number on the mass flow rate and the axial thrust. The numerical results show that the suitable cutting range is slightly different for different exit Mach number, but the optimal cutting parameter for certain exit total pressure is nearly changeless. So the better cut quality and capacity can be obtained mainly by setting the suitable standoff distance for a certain nozzle pressure.     

单喷嘴横流气雾两相流掺混实验研究

采用PIV设备测量了方腔通道内气体液雾两相交叉横向流的掺混,液滴通过旋流雾化喷嘴产生,获得了沿横流方向不同掺混横截面的液滴分布图和液滴运动流线图.比较了三种喷嘴布置角度(60°,90°,120°)在不同气流速度下的掺混效果.结果表明:在横流作用和壁面约束的影响下,流场中出现不同尺度的漩涡,大涡的卷吸与离心作用导致液滴分布不均匀,影响了雾滴与气相的掺混.随着掺混的发展,大涡的强度和尺寸均减小,对雾滴影响减弱,掺混变好;三种喷嘴布置角度下,60°掺混最好,90°次之,120°最差.     

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm2）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm2·K）;喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。     

Control of spray spot shape in cold spray technology. Part 2. Spraying process

The present paper studies high-velocity heterogeneous flows produced with nozzle designs unconventional for cold spray; the process of coating deposition was studied under these conditions. The possibility of using unconventional gas dynamic tools (swirling of main flow, nozzles with permeable profiles and with slots in the supersonic part of nozzle) for control of particle distribution in the supersonic jet is investigated: this might be useful for obtaining a proper shape of the spray spot. These experiments offered a method of gas-dynamic design for the spray spot shape, which extends the possibilities of cold spray technique.     

Supersonic laser spray of aluminium alloy on a ceramic substrate

Applying a ceramic coating onto a metallic substrate to improve its wear resistance or corrosion resistance has attracted the interest of many researchers during decades. However, only few works explore the possibility to apply a metallic layer onto a ceramic material. This work presents a novel technique to coat ceramic materials with metals: the supersonic laser spraying.In this technique a laser beam is focused on the surface of the precursor metal in such a way that the metal is transformed to the liquid state in the beam-metal interaction zone. A supersonic jet expels the molten material and propels it to the surface of the ceramic substrate.In this study, we present the preliminary results obtained using the supersonic laser spray to coat a commercial cordierite ceramic plate with an Al-Cu alloy using a 3.5 kW CO₂ laser and a supersonic jet of Argon.Coatings were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and interferometric profilometry.     

Velocity Distribution of the Powder Particles in Laser Cladding

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｏｖｅｒｔｈｅｌａｓｔｄｅｃａｄｅｓ,ｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｂｅａｍｓａｒｅｎｏｗｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ .Ｔｈｅｓｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈａｖｅｍａｄｅｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｗｉｔｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｕｃｃｅｓｓ[1,2 ] .Ｔｈｅｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ ,ｗｈｉｃｈｕｓｅｓａｈｉｇｈｐｏｗｅｒｌａｓｅｒａｓｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｏｕｒｃｅｔｏｆｏｒｍａｃｌａｄｏｎｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｕｂｓｔｒａ…