A STUDY ON DROPLET VELOCITY OF ETHANOL DURING ELECTROSPRAYING PROCESS AT CONE-JET MODE

研究液滴在静电喷雾下的速度特性是理解喷雾形态的形成及演化的关键.结合锥射流模式下乙醇静电喷雾实验数据,建立了静电喷雾二维轴对称模型.基于离散相液滴运动方程、连续相空气运动方程、电场方程以及用户自定义函数,进行了数值求解,获得了锥射流模式下的乙醇静电喷雾形态、空间电场分布以及液滴速度场分布.考虑了不同空气入口流速的影响,得到了乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态的变化规律.结果表明,喷雾外围液滴与空气流场有较强的相互作用,导致喷雾中轴线附近的液滴速度分布变化较小,而在喷雾外围处的液滴速度分布沿径向剧烈变化;随着空气入口速度的增大,乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态先趋于发散,当空气入口速度大于喷雾外围液滴轴向速度时,喷雾形态则趋于聚拢.因此,除改变施加电压、液体流量和电极结构外,通过控制空气入口速度来影响喷雾液滴速度场,也可获得不同的静电喷雾效果.     

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.     

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...     

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。     

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.      

多毛细管电雾化喷洒模式及稳定喷洒特征研究

通过采用传统的金属毛细管搭建了多喷管电雾化实验装置.初步获得了多管道电雾化喷洒的各种模式.并比较了乙醇在单、多管道条件下"锥-射流"模式喷洒的两个重要指标:稳定喷洒的起始电压和电流-流量关系.尽管结果显示由于加工/装配过程中的差异,各管道之间的喷洒状态会存在一定差异;但两种条件下的锥-射流喷洒模式服从相似规律:(1)稳定喷洒起始电压(V_C)与Taylor锥半锥角(θ)余弦的1/2次方成正比;(2)多管电雾化总电流(I)与流量(Q)的1/2次方成正比.它表明在常规尺度下,稳定电雾化喷洒射流的主要影响因素为锥-射流过渡区内液体界面上的极化电荷,而外界工作电场分布对稳定喷洒雾化效果影响较小.     

MOVEMENT AND SPLASHING OF A DROPLET IMPACTING ON A WET WALL

壁面液体层的存在对液滴撞击壁面的运动具有重要的影响。采用气液两相流动相界面追踪的水平集和流体体积复合方法和壁面润湿模型，实现了液滴撞击湿润壁面运动的数值求解；在此基础上，开展了液滴撞击湿润壁面运动的研究。研究结果表明：液滴以不同速度撞击湿润壁面时，会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等几种不同的运动形态，液滴撞击湿润壁面后的压力分布是不同运动形态形成的主要原因；飞溅运动是一定条件下皇冠几何体运动的一种特殊形态，液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细破碎理论；撞击速度对分离液滴的运动方向影响较小，而对壁面液体层厚度的影响则较大；撞击速度和壁面液体层厚度对分离液滴形态、飞溅分离位置、飞溅速度以及飞溅发生时刻等都具有一定的影响。     

电场驱动射流的弯曲失稳分析

本文对电场驱动射流弯曲问题的动力模型作了理论推导和数值分析.在假定射流具有牛顿粘性并作一维流动的基础上,建立了射流运动的控制方程,采用此方程来研究当带电流体穿过电场时受小扰动而产生的失稳现象.将方程无量纲化后,利用简正模态法对控制方程进行了稳定性分析,而后采用伽辽金法求解方程.结果表明,外电场增强、表面电荷量进一步增多(电荷量较大时)、射流轴向流速增大(其值较大时)、射流半径减小以及电荷的分布不均匀性增大,都可以显著增强射流的短波不稳定性;射流偶数阶频率导致了不稳定性,而且阶数越高,不稳定性增长得越快;频率具有虚部,意味着模态中相差的存在;并且射流在短时问内会失去稳定性.     

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.     

具有壁面射流激励的圆管内气相流动大涡模拟

采用大涡模拟方法和单方程亚格子模式对小尺度量进行模拟。研究了不同强度壁面射流激励对圆管内气相流动的影响,模拟结果给出了射流对瞬态拟序结构发展、时平均流向速度分布的影响。随着射流强度的增加,射流入口附近流体的回流现象增强。射流强度足够大时可以减小管壁处的切应力值,同时会减小壁面附近流动速度,这种速度分布会导致气体夹带颗粒的能力下降,从而在实际两相流动中容易造成壁面附近的气粒返混现象。     

偏压电场对压电板中Lamb波相速度的影响

本文研究了偏压电场作用下,Lamb波在压电板中的传播行为，首先给出了偏压电场作用时压电板中的应力场及电位移场，然后通过求解含初应力及初电位移的小幅波动问题的耦合方程，分别给出了Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程，以典型的PZT－5H压电陶瓷板为例进行了数值计算,并讨论了偏压电场对Lamb波相速度及频散曲线的影响，结果表明，偏压电场可以显著地改变Lamb波的传播速度，借此可使声波器件获得延时效果。     

偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波传播研究

基于磁电弹性材料的本构关系和运动微分方程,研究了磁电弹板中Lamb波的传播特性.在电磁开路和短路两种边界条件下,导出了偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程,求解了相应的应力场.通过数值算例分析了偏压电场对相速度和应力场的影响.结果表明,偏压电场对相速度有较大影响,对应力场几乎没有影响.研究成果可为设计磁电换能器提供一定的理论参考.     

水动力作用下低速射流碎化的数值模拟

为研究射流在水动力作用下的碎化特性,采用有限体积法对轴对称坐标下Navier-Stokes方程进行了求解,考虑重力和表面张力的影响,并通过Volume-of-Fluid法与Level-Set法成功捕捉到界面的不稳定发展、变形及射流碎化过程,分析了流场内部速度场和压力场分布,结果表明,射流碎化长度随Re/We“5数呈指数型增加,最后探讨了射流速度、直径及周围流体密度、粘性等参量对射流的碎化过程的影响规律.     

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利用X光照片对射流垂直侵彻反应装甲这一物理过程进行研究，认为爆 轰场加快了射流失稳断裂过程. 并基于射流在空气中运动断裂模型的基础上，运用弹塑性相 关理论，建立了在爆炸场中射流断裂时间模型，利用该模型得到了干扰后射的侵彻模型.     

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.     

入口速度比对射流拟序结构的影响

为了深入了解湍流流动机理以及湍流拟序结构发现过程的影响因素，本文采用大涡模拟方法对不同入口射流伴流速度比的平面湍射流流动进行了数值模拟。采用分步投影法求解动量方程，亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟，压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解，空间方程采用二阶精度的差分格式，在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了平面射流中湍流拟序结构的瞬态发展演变过程，分析了入口速度比对射流拟序结构发展演化过程及宏观流场形态的影响。为进一步研究射流拟序结构及其在湍流流动中的作用提供了基础。     

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。     

聚能炸药逆向环形起爆形成高速射流研究

设计了一种长径比为 0 .375 ,罩锥角为 12 0的大锥角小长径比聚能装药。利用闪光X射线摄影技术观察了小长径比聚能装药正向起爆时形成的射流图象以及逆向起爆时药型罩的压垮图象和射流图象。给出了形成射流的头部速度、射流的质量分布等射流特性参数。试验的聚能装药逆向起爆时射流头部速度为 7.48km/s,而正向起爆时仅为 4.34km/s。试验研究表明通过逆向环形起爆 ,小长径比聚能装药获得高速射流是可行的。     

湍流射流的实验研究

本文利用热线风速仪测得的单股及同轴射流近场和远场的数据,讨论了当截面时均速度及湍流脉动均方根值分布具有多峰特性时的自模性规律。应用分线段处理实验曲线的方法,得到了包括同轴射流近场速度分布在内的多峰值速度分布的自模性。     

电场作用下流动聚焦的实验研究

通过在流动聚焦的同轴液-气射流区域施加电场, 开展了电场力和气动力共同作用下锥形以及带电射流的不稳定性特性实验研究. 实验在精密设计的流动聚焦装置上完成, 分析了外部电压、气体压力降和液体流量等主要控制参数对流动聚焦过程的影响, 获得了锥形的振动模式和稳定模式及其之间的转换, 得到了射流的滴模式、轴对称模式、共存模式和非轴对称模式及其转换并定量分析了电场对射流尺寸参数的影响. 结果表明, 相比于单一的流动聚焦, 该方法能够增强锥形的稳定性, 促进液体射流雾化, 减小颗粒的直径, 因此在科技领域和工程实际中具有重要的应用价值.