液体的爆炸抛撒特征

针对液体爆炸抛撒过程设计了实验装置,利用高速摄像仪进行记录。通过研究不同中心装药量和 填充液体的抛撒过程,发现在壳体破裂后,液体沿裂缝处向外飞散。药量较小时,液体分散成树枝状形态,然 后破碎成液滴;药量较大时,则形成液体环状区。对于不同粘度的液体,环状区分别由小液滴及已雾化、汽化 的液体,或大液滴、液体丝及液膜等组成,抛撒过程中其宽度越来越大,大液滴、液体丝及液膜等也逐渐破碎成 细小的液滴。     

液体环轴对称抛撒首次破碎的实验研究和稳定性分析

首次破碎是液体抛撒、破碎过程中一个非常重要的阶段．本文提出了一种新的实验设备,并通过在这套实验设备上的一系列实验,得到了在不同激波马赫数、不同的液体种类和不同的抛撒容量下液体首次破碎过程的照片．实验结果表明,在确定的抛撒条件下,液体环的失稳,即不稳定的发生、发展并最终导致液体环破碎的过程,是由于液体环运动的加速度改变方向而引起的     

高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.      

轴对称液体环的形成、变形和破碎的研究

为了实现液体环的轴对称径向扩展运动,提出了一种新的实验方法及设备。这种新的实验设备是由垂直的无膜激波管和液体环发生器所组成,可以用来观察轴对称液体环的形成、变形和破碎过程。轴对称液体环抛撒过程的实验研究已在这种实验设备上完成,并得到了相应的一系列流场照片。对实验结果的分析表明,液体表面的不稳定性是造成液体环破碎的主要原因。     

气相中双液滴正碰过程数值模拟研究

液滴碰撞现象普遍存在于动力装置燃烧室喷嘴的下游区域,影响燃料的雾化性能。为了揭示相同直径的双液滴中心碰撞机理,求解了轴对称坐标系下的N-S方程,采用VOF(Volume of Fluid)方法捕捉液滴碰撞过程中气液自由表面的演化规律。利用Qian等提供的实验结果对计算模型进行数值校验,验证了模型的准确性。在此基础上,研究了环境压强对液滴碰撞反弹后不同结果(分离和融合)的影响,分析了环境压强和Weber数对液滴碰撞分离的影响。结果表明,液滴在碰撞反弹后的状态(分离或融合)是由液滴间气膜压强与环境气动阻力共同作用的结果,环境压强对液滴碰撞分离过程基本没有影响;Weber数越大,碰撞过程中变形的幅度越大。     

液滴撞击超疏水壁面反弹及破碎行为研究

液滴撞击壁面时,壁面亲水性对液滴撞击壁面后的变化历程具有重要的影响。利用相界面追踪的复合Level Set-VOF方法对液滴撞击超疏水壁面的运动进行了研究。研究结果表明,撞击速度较小时,液滴撞壁后发生反弹;撞击速度较大时,液滴撞壁后会发生破碎现象;初始粒径的增大和表面张力的减小,有利于液滴撞壁后产生铺展破碎现象;撞击角度对撞壁后的液滴行为具有较大的影响。通过数值模拟,给出了一定条件下液滴垂直及倾斜撞击超疏水壁面反弹及破碎的临界条件。     

圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.      

Oldroyd-B黏弹性液滴碰撞过程的数值模拟

复杂的流变特性使凝胶推进剂的雾化过程存在一定困难,这制约了它的发展.聚合物胶凝剂的加入使凝胶推进剂具有黏弹性,从而在雾化时会产生黏弹性液滴,因此为了进一步认识凝胶推进剂的雾化机理、提高凝胶推进剂的雾化性能,对黏弹性液滴的碰撞行为进行数值模拟研究.针对凝胶推进剂雾化过程中出现的液滴撞击现象,考虑流体具有的黏弹性效应,采用...     

W/O液滴绕流微柱阵列的数值模拟研究

基于COMSOL Multiphysics 4.1层流两相流模型,通过数值模拟研究了连续相流速一定的情况下大接触角(?=160°)的油包水(W/O)液滴绕流微柱阵列的二维运动。通过相场方法考虑表面张力的影响,实现对油-水界面的追踪,获得了W/O液滴的运动状态,重点考查了液滴尺寸对运动特性的影响。模拟结果表明,初始尺寸不同的液滴变形后,长度上存在差异,但厚度基本一致,尺寸介于100?m~150?m液滴的运动速度与液滴尺寸无关。进一步研究了利用尖楔对液滴进行分割的过程,发现液滴脱离末端微柱时,其垂向位置高度与液滴尺寸密切相关,呈先线性增加后趋于定值的特点,利用这一预定位功能及尖楔结构可以获得尺寸可控的均匀子液滴。数值方法与已有实验结果基本一致,且可以很好地表现W/O液滴与微柱的相互作用,揭示液滴的流动细节和运动规律,为设计更为复杂的液滴微流控芯片提供了支撑。     

三维液体非线性晃动及其复杂现象

主要讨论三维液体非线性晃动问题 。将ALE（任意的拉格朗日-欧拉）运动学描述引人到Navier-Stokes方程的分步有限元计算格式中;在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkin加权余量方法得到了系统的有限元离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式;模拟了三维液体的非线性晃动问题,得到了一系列三维液体非线性晃动的复杂现象.进一步模拟了考虑表面张力效应以及在微重力环境下三维液体的非线性晃动,揭示了考虑表面张力效应以及在微重力环境下液体非线性晃动的重要特征.井将所得结论与现有的实验结果进行了比较.从而证实了该方法的有效性与正确性.     

壳体约束对液体爆炸抛撒流场特性的影响

进行了不同壳体约束条件下的液体爆炸抛撒实验,讨论了壳体对起爆后早期抛撒流场特征的影响,分析了爆炸分散过程中液体的状态变化和破碎分散机理,并通过数值模拟进行了对比分析。结果表明,在爆炸反射稀疏波的作用下液体发生空化现象,壳体强度越高,空化发生的延迟越大,发生位置越靠近爆心,同时,爆炸产物气体与液体在其界面附近越早发生掺混。     

爆炸驱动固/液介质爆炸抛撒的实验研究

针对爆炸驱动固/液介质抛撒混合过程设计了透明双层抛撒装置。采用高速运动分析系统记录抛撒装置壳体破碎和固/液界面、固/液介质抛撒形态的演变过程,结果表明:壳体裂纹的产生和断裂首先出现在轴向方向;固/液界面在外层壳体破碎之前清晰可见,表明固/液介质的混合主要发生在壳体破碎之后;导爆索驱动下呈现滑移爆轰驱力特征,介质抛撒形状呈倒圆台形,不同截面处的介质运动速度随截面到起爆端轴向距离的增大而减小。     

竖直下抛液体燃料爆炸抛撒的初步数值研究

对具有轴向初始速度即竖直下抛液体燃料的爆炸抛撒云雾形成过程进行了数值研究。近场的数据来自丁珏等的工作,以此数据作为远场初始参数。远场是燃料液滴与空气、燃料蒸汽、不同尺寸的液滴颗粒组成的多相体系之间的相互作用的过程。液滴的直径比较小,把液滴看成连续介质,且相互作用只考虑液滴的蒸发、破碎、碰撞聚合。轴向初速为0(静爆)时计算结果与实验结果相吻合。这说明本模型可以模拟爆炸抛撒云雾的形成过程,进而可以预估高速运动下云雾的形成过程。用以上模型计算了竖直下抛初速为100m/s、装填5kgPO的FAE装置的爆炸抛撒过程。所得的结果表明,100m/s的初速将影响云雾的最终形状及云雾内部的浓度分布。     

爆炸冲击波在长直坑道和复杂坑道内传播规律的对比研究

利用非线性动力分析软件LS-DYNA,对炸药在坑道入口处爆炸情况下,爆炸流场在长直坑道、＂L＂形坑道、＂S＂形坑道内的变化过程进行了数值仿真,得到了爆炸冲击波在不同形状坑道中的传播规律。研究结果表明：带弯道设计的坑道可以有效地削弱冲击波强度,提高坑道的抗破坏能力;弯道外侧峰值压力比同位置长直坑道中的峰值压力大,因此在进行带弯道的坑道设计时,应相应地加强弯道外侧坑道壁的强度。该方法适合于解决爆炸冲击波在复杂弯曲坑道内传播的问题,为今后的坑道防护设计提供了参考和依据。     

燃爆冲击作用下岩石初始破坏区形成机制与主控因素

为揭示燃爆冲击作用下井周岩石破坏区的形成机制,并分析影响初始破坏区(破碎区和初始裂隙区)的主控因素,开展了两种岩样在不同加载速率下的冲击破坏实验, 分析了岩石冲击破坏模式及岩石对加载速率的响应, 借助基于Von Mise准则建立的岩石冲击破坏的破碎区和初始裂隙区计算模型可知:加载速率低于190 GPa/s时,可依据冲击峰值压力引导的应力分布确定破碎区和初始裂隙区作用范围;燃爆压裂在近井地带主要产生破碎区和裂隙区,破碎区直径为井眼直径的1~3倍,初始裂隙区直径为井眼直径的5~7倍;冲击载荷作用下,初始破坏区与加载速率、脆性指数呈正相关,且受脆性指数影响更显著。研究结果可提高对燃爆压裂过程中岩石的破坏模式及其主控因素的认识深度,为燃爆压裂冲击条件设计提供指导。     

A nonlinear atomization model for computation of drop size distributions and spray simulations

A model has been developed to provide a comprehensive simulation of a spray formed by a high‐speed liquid jet. The primary atomization process is simulated in a completely nonlinear fashion using the boundary element method under the assumption of axisymmetric, inviscid flow. The presence of the orifice boundary layer is simulated with a ring vortex whose strength and location are uniquely determined from boundary layer properties at the orifice exit plane. Droplet and axisymmetric ligament tracking models have been developed to provide more comprehensive spray simulations. The breakup of the axisymmetric ligaments shed from the parent surface is assessed both in a nonlinear fashion as well as using the linear stability analysis of Ponstein. Using this latter approach, drop size distributions have been generated from first principles and compared with the popular Rosin–Rammler model. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fatigue striation spacing and equivalent initial flaw size in Al 2024-T3 riveted specimens

One of the main concerns of aeronautical structures is structural damage due to fatigue. This phenomenon is accentuated in areas of stress concentration, namely the connection of components. The fuselage is one of the most important structural elements where the connection of the fuselage panels is often done by riveting. Specimens with several geometric configurations are used to study these structures. This work is concerned with the study of one of these specimens, i.e., the lap splice with three rows of rivets and one rivet column. It is part of the IDMEC-Porto contribution to the European project ADMIRE. Stress versus number of cycles results and measurements of fatigue striation spacing along two perpendicular directions using scanning electron microscopy (SEM) are presented. The fractographic reconstitution of fatigue crack growth was carried out. The value of equivalent initial flaw size (EIFS) is calculated using the back extrapolation technique and two models of fatigue crack growth. They consist of a model using the Paris law and another the strain energy density factor concept. The EIFS is used to predict the fatigue behaviour of this structural detail. It is intended to verify the applicability of empirical models based in experimental evidences.     

Linear and nonlinear inversion schemes to retrieve collision kernel values from droplet size distribution change

This study presents an attempt to retrieve collision kernel values from changes in the droplet size distribution due to collision growth. Original linear and nonlinear inversion schemes are presented, which use the simple a priori assumption that the total collision rate is given by the sum of the gravitational and turbulent contributions. Our schemes directly handle binned (discretized) size distributions and, therefore, do not require any assumptions on distribution functional forms, such as the self-similarity assumption. To validate the schemes, three-dimensional direct numerical simulation (DNS) of colliding droplets in steady isotropic turbulence is performed. In the DNS, air turbulence is calculated using a pseudo-spectral method, while droplet motions are tracked by the Lagrangian method. Comparison between the retrieved collision kernels and the collision kernels obtained directly from the DNS show that for low Reynolds number flows both the linear and nonlinear inversion schemes give good accuracy. However, for higher Reynolds number flows the linear inversion scheme gives significantly larger retrieval errors, while the errors for the nonlinear scheme remain small.