等热流密度加热垂直下降液膜的研究

利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明,模型方程在小到中等Reynolds数下都适用,并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加,展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加,随着Reynolds数增加而减小,流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明,在等热流密度加热条件下,液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构,液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强;在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强,液膜会提前破裂;在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时,液膜的换热会增强,但不会提前破裂;在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时,换热会加强且液膜会提前破裂。     

双自由面溶质?热毛细液层的不稳定性

溶质?热毛细对流是流体界面的浓度和温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动, 它主要存在于空间微重力环境、小尺度流动等表面张力占主导的情况中, 例如晶体生长、微流控、合金浇筑凝固、有机薄液膜生长等. 对其流动进行稳定性分析具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了双自由面溶质?热毛细液层对流的不稳定性, 得到了两种负毛细力比(η)下的临界Marangoni数与Prandtl数(Pr)的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 溶质?热毛细对流和纯热毛细对流的临界模态有较大的差别, 前者是同向流向波、逆向流向波、展向稳态模态和逆向斜波, 后者是逆向斜波和逆向流向波. 在Pr较大时, Pr增加会降低流动稳定性; 在其他参数下, Pr增加会增强流动稳定性. 在中低Pr, 溶质毛细力使流动更加不稳定; 在大Pr时, 溶质毛细力的出现可能使流动更加稳定; 在其他参数下, 溶质毛细力会减弱流动稳定性. 流动稳定性不随η单调变化. 在多数情况下, 扰动浓度场与扰动温度场都是相似的. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但其中溶质毛细力和热毛细力做功的正负性与参数有关.      

带展向曲率的超音速混合层中扰动演化的研究

超音速混合层的流动不稳定性较之亚音速或不可压的混合层大大减弱，为了提高混合效率， 通过数值模拟的方法分别研究了展向曲率、展向速度、来流马赫数等因素对混合效率所 起的作用. 计算结果表明：在给定展向速度的情况下，带有展向曲率的三维混合层，曲率越 大三维扰动增长率越大，而且法向的卷起范围也越大. 当展向曲率不为零时，展向速度的增 大也能有效地增强混合能力. 由流场中的高频扰动波产生的涡，在向下游发展过程中会有破 碎、拉伸，低频扰动波没有发现这一现象. 对于有展向曲率和展向速度的混合层，提高来流 马赫数时，流场中最不稳定扰动的增长率仍很大. 因此，这是一种提高混合层混合效率的新 途径.     

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。     

超声速混合层中扰动增强混合实验

以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering, NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层($Mc=0.5$)的混合增强效果. 首先通过系列实验优化设计了扰动参数. 实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感. 二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展. 总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动. 由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.      

环形浅液池内热流体波的本质特征

为了了解环形浅液池内热毛细对流的特征,利用有限容积法对外壁受热、内壁冷却、厚度为1 mm的环形浅液池内硅油的热毛细对流进行了三维数值模拟.结果表明,当Marangoni(Ma)数小于临界值时,随着Ma数的增加,内、外壁附近的温度梯庹上升,稳定的二维轴对称流动的径向速率增加;超过临界Ma数后,漉动转化为三维振荡对流,形成热流体波.沿径向运动的同时,伴随着热流体波的传播流体质点成对地绕顺时针和逆时针方向旋转.热流体波的周向传播速度较快,而流体质点的周向速度很小.分析发现,热流体波为对数螺线形波纹,其传播角为常数;随着Ma数的增大,传播角增大.     

管内液膜流动失稳现象的直接数值模拟

为分析液膜流动时垂直液膜的重力加速度分量和表面张力对扰动波振幅的影响,通过FTM模拟了液膜在重力作用下流动失稳过程。结果表明:重力分量和表面张力系数越大,扰动振幅衰减得越快;并且表面张力系数越小,扰动振幅波动的频率越高。此外还分析了促进液膜流动失稳的两个因素,即密度比和雷诺数Re。当增大密度比时,液膜会出现两种极端的变化:一种是液膜不再完全覆盖底面,会形成锲状液膜,随着速度变大和振幅脉动,当锲状液膜前锋出现新的扰动波时,新的扰动会与初始扰动发生干涉产生二次波动;另一种是增加密度比时,液膜将会在剪切力的作用下产生飞脱的现象,在Re数较大时,液膜流动失稳会在剪切力的作用下产生K-H(开尔文-赫姆霍兹)不稳定性,且初始扰动对形成开尔文-赫姆霍兹波浪具有诱导作用。     

黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中, 对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性, 得到了不同Prandtl数($Pr$)下的临界Marangoni数($Ma_{\rm c})$与弹性数的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 流体弹性激发了更多不稳定模态, 小$Pr$的临界模态为斜波和流向波, 而中高$Pr$的临界模态为斜波和展向稳态模态. 强弹性使得$Ma_{\rm c}$显著下降, 而弱弹性略微增强了流动稳定性. 在中$Pr$下, $Ma_{\rm c}$随$Pr$的增大而增大. 对于斜波模态, 扰动温度的振幅可存在于流场中间区域, 而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上, 并且在高$Pr$下的流线分布几乎是对称的. 能量分析表明: 随着弹性数增大, 基本流做功由正变负; 在小$Pr$中, 扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量; 在高$Pr$中, 基本流做功可忽略不计. 对于同向流向波, 扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡. 将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现, 由于基本流和边界条件的不同, 两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.      

气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究

通过对气体驱动同轴电流动聚焦的实验模型进行简化,开展了电场力和惯性力共同作用下同轴带电射流的不稳定性理论研究.在流动为无黏、不可压缩、无旋的假设下,建立了三层流体带电射流物理模型并得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式色散关系,利用正则模方法求解色散方程发现了流动的不稳定模态,进而分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,在参考状态下轴对称模态的最不稳定增长率最大,因此轴对称扰动控制整个流场.外层气流速度越高,气体惯性力越大,射流的界面越容易失稳.内外层液-液同轴射流之间的速度差越大,射流越不稳定.表面张力对射流不稳定性起到促进作用.轴向电场对射流不稳定性具有双重影响:当加载电场强度较小时,射流不稳定性被抑制;当施加电压大于某一临界值时,轴向电场会促进射流失稳.临界电压的大小与界面上自由电荷密度和射流表面扰动发展关系密切.这些结果与已有的实验现象吻合,能够对实验的过程控制提供理论指导.     

圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。     

入口扰动频率对矩形射流影响的大涡模拟

为研究入口扰动对矩形射流的影响,对不同扰动频率下的三维矩形射流进行了大涡模拟,用分布投影法求解动量方程,对压力泊松方程采用FACR直接解法.计算结果预报的速度在横向的单峰分布和速度半宽沿流向的近似线性增长与实验结果吻合良好.计算结果表明扰动频率为射流的本征频率fe=0.22时射流的卷吸作用最强,而高频扰动则抑制卷吸作用;激励频率接近本征频率时射流提前出现速度在展向的马鞍型双峰分布,更早趋于圆射流形态.进一步的流场二维和三维瞬态涡结构图谱表明:上述现象与f=0.1和f=0.22时射流近场更频繁卷起、更丰富的大涡结构存在密切关系,正是这些大涡运动不断地在横向卷吸入外界流体,实现射流在横向的迅速扩展.     

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动.它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中.在很多工业领域,如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控,产品质量都与热毛细对流密切相关.空间3D打印是太空制造的重要技术,可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护,实现按需制造.本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景,采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性,得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:该流动的临界模态包括流向波和斜波模态,与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性.当Q=0时,扰动温度分布分成对称和反对称两种情况.当Q> 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性.在小Pr情况下,扰动温度分布在整个流场,在大Pr情况下,扰动温度在栓塞区为零.能量分析表明:扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,但小Pr数下基本流也有一定贡献.     

高超声速溢流冷却实验研究

高超声速溢流冷却是一种新型的飞行器热防护方法,基本思想为:在高热流区布置溢流孔,控制冷却液以溢流方式流出,之后通过飞行器表面摩阻作用展布为液膜,形成热缓冲层以降低飞行器表面热流. 目前,溢流冷却技术还处于探索阶段,实现工程应用前还需开展大量的实验验证和机理研究工作. 本文首次开展溢流冷却的实验研究工作,采用热流测量、液膜厚度测量及液膜流动特性观测技术,搭建了完善的溢流冷却风洞实验平台,对溢流冷却热防护性能和高超声速条件下液膜流动规律进行了初步研究. 研究表明:(1) 高超声速流场中通过溢流能够在飞行器表面形成液膜并有效隔离外部高温气流,可降低飞行器表面热流率;(2) 楔面上的液膜前缘流动是一个逐渐减速的过程,增加冷却液流量液膜厚度变化不明显,但液膜前缘运动速度增大;(3) 液膜层存在表面波,在时间和空间方向发生演化,导致液膜厚度的微弱扰动;(4) 液膜层存在横向展宽现象,即液膜层宽度大于溢流缝宽度. 原因是液膜层与流场边界层条件不匹配,存在压力梯度,迫使冷却液向低压区流动,从而展宽液膜层,并且流量越高,横向展宽现象越明显.      

高超声速溢流冷却实验研究

高超声速溢流冷却是一种新型的飞行器热防护方法,基本思想为:在高热流区布置溢流孔,控制冷却液以溢流方式流出,之后通过飞行器表面摩阻作用展布为液膜,形成热缓冲层以降低飞行器表面热流.目前,溢流冷却技术还处于探索阶段,实现工程应用前还需开展大量的实验验证和机理研究工作.本文首次开展溢流冷却的实验研究工作,采用热流测量、液膜厚度测量及液膜流动特性观测技术,搭建了完善的溢流冷却风洞实验平台,对溢流冷却热防护性能和高超声速条件下液膜流动规律进行了初步研究.研究表明:(1)高超声速流场中通过溢流能够在飞行器表面形成液膜并有效隔离外部高温气流,可降低飞行器表面热流率;(2)楔面上的液膜前缘流动是一个逐渐减速的过程,增加冷却液流量液膜厚度变化不明显,但液膜前缘运动速度增大;(3)液膜层存在表面波,在时间和空间方向发生演化,导致液膜厚度的微弱扰动;(4)液膜层存在横向展宽现象,即液膜层宽度大于溢流缝宽度.原因是液膜层与流场边界层条件不匹配,存在压力梯度,迫使冷却液向低压区流动,从而展宽液膜层,并且流量越高,横向展宽现象越明显.     

高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%～95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.     

高超音速湍流分离表面热流率的脉动特性

本文给出高超音速湍流分离不稳定特性的实验研究结果。试验条件是:自由流马赫数为 7.8,单位长度雷诺数为 3.5×10~7/米。分离流场由有限展长前向台阶产生,并用有高空间分辨率和快速响应的一列平齐安装的铂膜电阻温度计和多通道系统测量其表面热流率脉动。信号的条件采样分析结果表明:分离激波的根部由一束压缩波构成,流向展长约二分之一来流边界层厚度,在边界层外汇聚成单一主激波。这种激波结构极其不稳定,出现大尺度运动,流向运动的尺度约为分离激波上游影响区域长度的22％。激波振荡频率为一宽频带,主要集中在 1～3 千赫。在分离激波运动区域,热流脉动呈间歇性,在无扰动和激波扰动间跳跃。可以认为这种间歇性是分离激波系统大尺度振荡的结果。在激波运动区域的下游为分离区,流体继续压缩,热流脉动无间歇。     

大尺寸液桥热毛细对流失稳性地面实验研究

开展大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验, 探究流场转捩的临界条件及临界状态附近的流动情况. 通过粒子图像测速方法(PIV) 获得流体速度场, 研究液桥内部定常和转捩后的流场结构以及流体运动规律;并用红外热像仪测量液桥自由面温度分布, 研究流体流动的时空演化和温度振荡. 实验发现大尺寸半浮区液桥浮力-热毛细对流临界值与几何参数有关, 在大普朗特(Prandtl) 数情况下, 流场存在由稳定态向不稳定态再到混沌的转捩过程, 在临界马兰哥尼(Marangoni) 数附近, 流场内会出现行波现象, 流动模式也会随高径比的变化而发生变化;当继续增大马兰哥尼数, 流动会进入混沌状态.      

粘性可压混合层时间稳定性对称紧致差分求解

基于可压扰动方程组的一阶改型 ,将高精度对称紧致格式引入边值法数值线性稳定性分析。对所获非线性离散特征值问题给出了一个通用形式二阶迭代局部算法 ,实现了时间模式和空间模式的统一求解 ,并将扰动特征值及其特征函数同时得到。据此分析了可压平面自由混合层时间稳定性 ,涉及二维 /三维扰动波、粘性 /无粘扰动波、第一 /第二模态、特征函数、伪特征值谱等。研究表明 ,压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波数和增长率呈相似的减抑作用 ;在 Mc=1附近 ,从高波数段开始 ,粘性效应可强化二维不稳定扰动波由第一模态向第二模态的过渡     

考虑甲烷溶解效应的液膜密封稳态性能研究

针对油气混输工况密封腔内含气率变化所引起的液膜承载力不稳定问题,考虑密封腔内油气两相介质的互溶性特征,将溶解度方程引入包含Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO)边界条件的广义稳态Reynolds方程,建立了考虑甲烷溶解效应的液膜密封润滑模型.采用有限差分法求解该溶解润滑模型,研究了液膜压力、甲烷溶解度及油相黏度之间的相互影响机制.在不同的螺旋槽结构参数与工况条件下,对比分析了甲烷溶解效应对液膜密封机理及密封性能的影响.结果表明：甲烷溶解效应在液膜高压区对油相黏度影响大;考虑甲烷溶解时所得的液膜开启力减小、空化率增大、摩擦系数增大以及泄漏量减小,且液膜动压效应越强时甲烷溶解效应对密封性能的影响越大.在高压及输送油气介质时,气体溶解对密封性能的影响不可忽略.     

黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响

Rayleigh-Taylor不稳定性存在于爆炸、液滴形成和液体喷雾等工程应用过程中,是流体力学关注的经典问题之一.内空泡振荡诱导液滴界面演化问题是其研究中基本模型之一,空泡振荡作用下液滴界面发生扰动并发展,其特征形态主要表现为破碎、通气和稳定.液体黏性是影响界面不稳定性发展的重要因素,文章通过建立高精度的数值模拟方法,开展液体黏性对内空泡诱导柱状液滴界面不稳定性的影响研究.在数值模拟中,基于开源OpenFOAM框架的多相可压缩求解器直接求解Navier-Stokes方程,采用isoAdvector的几何流体体积法捕捉界面演化特征.结果表明,液体黏性的增加会减缓空泡的收缩,进而减缓液滴界面扰动的发展,该影响下通气工况液滴通气发生时间增加,而稳定工况最大扰动幅值减小.最大扰动幅值的减小直接影响了液滴的特征形态,基于一系列数值模拟结果归纳得到液滴不稳定性相图.在文章讨论的参数范围内,随着黏性增加,小液滴(R_d0 <2 mm)的形态从破碎转变为通气进而变成稳定;中液滴(2 mm d0 <3 mm)的形态从通气转变为稳定,不出现...