流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥-射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

Flow focusing and jet instability

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

不定原点喷嘴射流中流体物理的实验研究

为了能够更好地了解不定源喷嘴(indeterminate origin nozzle)射流中的物理过程,本文应用平面激光诱导荧光技术对一个大尺度的水射流进行了实验研究.流场显示的实验结果表明不定源喷嘴在射流的剪切层引入了蘑菇形反向旋转的涡对.这些涡的矢量方向与射流方向相同或相反,被称为流向涡(streamwise vortex).由于射流中存在开尔文-亥姆霍兹不稳定,每当一个横向涡(spanwise vortex,即涡的矢量方向与射流方向垂直)从喷嘴脱流时会产生瞬时的低压,该瞬时低压促使向内发展的流向涡对在喷嘴的凹槽处生成.这些涡对在向下游流动的过程中会重组并在喷嘴的尖峰面生成向外发展的涡对.这些流向涡极大地影响了射流的发展.流向涡与横向涡的相互作用促使射流更早地发展成为湍流.由于流向涡同时也在射流中引入了径向的剪切流动,因此导致了更多的湍流生成从而增强了射流与周围流体的混合.     

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。     

PIV MEASUREMENT OF CLOSE IMPINGING JET ON FLAT PLATE 1)

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.     

近距离下射流冲击平板PIV实验研究

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.      

Y形冲击射流微混合器流场结构和混合特性的三维数值模拟研究

运用三维变密度不可压计算流体力学方法对微型Y形冲击射流进行流动结构研究.结果表明:入射角度和入射速度是影响流场结构和混合效果的两个重要因素,分别存在有最佳入射角度和入射速度.我们发现在射流角度等于90°、射流速度为中速时,其流场结构最利于混合,因为此时射流的接触面积最大.另外,射流速度越大,其分割强度值也越大,因此混合性能也越差.当速度太大时,会使两股流体的接触面破碎而散落在空间中,使其不再接触,因此对分子间的扩散和混合不利.     

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.     

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。     

射流扩散火焰闪烁模态及频率特性的实验研究

层流扩散火焰的闪烁是一种经典的火焰不稳定性现象,然而现阶段对其不稳定性模态及频率特性的研究尚不充分.文章利用高速摄影和粒子图像测速同步测量技术,对宽工况下准静态环境中的浮力主控和动量主控圆口射流扩散火焰的不稳定性及其频率进行了实验研究.实验发现,燃料射流流量增大会导致火焰失稳,所引起的闪烁现象可分为varicose模态和sinuous模态.流场测量结果表明,闪烁火焰的主要流动结构表现为分别位于火焰面内外的两个剪切层.火焰外剪切层卷起形成的大尺度环形涡的周期性产生、增长和脱落是导致火焰面周期性形变(即火焰闪烁)的原因.闪烁火焰具有准周期性,其流场具有统一的主频率,且该频率与火焰脉动频率一致,说明闪烁火焰在本质上是种整体流动不稳定性的体现.浮力主控火焰sinuous模态的频率比varicose模态高3 Hz左右,并且在燃料流量较大的工况下存在varicose和sinuous模态间的切换.浮力主控火焰的频率符合经典的1/2标度律,但不同模态对应着不同的标度律系数.动量主控火焰的频率显著偏离1/2标度率,且偏离程度随射流动量增加而增强.研究表明了流动不稳定性模态对于射流扩散火焰频率特性具有不可...     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长-回射流产生及发展-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长-激波产生及传播-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加.不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.     

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力,被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中.由于其流动的复杂性,也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能.此外,湍升力射流与地面之间的空气动力作用对V/STOL (垂直或短距离起落)飞机的性能具有很大的影响.长期以来,人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究,积累了丰富的资料.本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上,对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述,重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望.      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

合成射流技术及其在流动控制中应用的进展

流动控制是流体技术最主要的研究领域,21世纪的空气动力学将在流动控制领域取得重大突破; 合成射流是一种基于旋涡运动的零质量射流,是流动控制领域近10年来最热门活跃的流动主动控制技术.首先介绍了合成射流激励器及激励器的基本类型,并概括了激励器的主要发展方向,即宽频域、高动量、``强壮'的合成射流激励器和微小型激励器.尔后,对合成射流激励器工作原理、合成射流结构以及合成射流独特的流场特征和合成射流技术的特点进行了综述.最后着重对合成射流技术主要和潜在应用,如流动分离及气动力控制、射流矢量控制、增强掺混及加强传热和传质、抑制噪声、微流体控制、飞行控制以及粒子的散布控制、合成射流陀螺仪技术等进行了介绍和综述,同时对其在各应用领域的控制机理进行了归纳总结.      

关于湍流射流问题

在很多工程技术部门中,例如火箭技术、飞机、透平、锅炉、燃烧室、化工冶金设备、通风设备、其他流体装置以及射流元件等,大量遇到湍流射流的流动问题。因此,阐明湍流射流流动的规律,从而为工程实际应用提供分析与计算有关参数的依据,就具有很重要的意义。      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴...     

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.     

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.      

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.