可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值. 基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性. 结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.      

超空化条件下液体射流热稳定性研究

基于线性稳定性理论,建立了描述超空化条件下液体射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对超空化条件下液体射流与周围气体间的温差对射流稳定性的影响进行了研究。研究结果表明,液体射流与周围气体间存在温差时,射流稳定性变差,扰动波波数范围拓宽,且拓宽的程度随温差的增加有明显加大的趋势;温度扰动对射流稳定性的影响与扰动模式关系不大;温度扰动会在一定程度上削弱超空化对射流稳定性的作用,并有可能完全抑制超空化对扰动波最大波数的作用,只有当超空化达到一定程度后,才能克服温度扰动的抑制作用,使扰动波最大波数变大。     

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.     

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。     

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...     

圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究

利用线性稳定性理论, 进行了液体黏性对不同旋转强度下圆环旋转液体射流 空间不稳定性影响的研究. 在推导出的三维扰动下具有固体涡核型旋转速度分布的圆环旋转 黏性液体射流色散方程的基础上, 针对中低速射流, 进行了类反对称模式与类对称模式下圆 环旋转黏性液体射流的空间不稳定性分析. 研究结果表明, 对于旋转强度较大的圆环旋转液 体射流, 液体黏性的增加, 不利于射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 射流的特征频率和最 不稳定波数减小. 然而, 对于旋转强度较小的圆环旋转液体射流, 液体黏性的增加, 有利于 射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流特征频率先减小后增大, 类对称模 式下射流特征频率增大; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流最不稳定波数先减小后 增大, 类对称模式下射流最不稳定波数增大.     

电场作用下无黏聚焦射流的时间不稳定性研究

基于电场作用下的流动聚焦实验建立了简化的理论模型,开展了带电同轴液气射流的时间不稳定性分析.在无黏假设下,得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式的色散关系,分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,只有轴对称扰动和第一类非轴对称扰动在时间域内是增长的;液气界面的表面张力对轴对称扰动有着双重影响而对非轴对称扰动起抑制作用;外层气体的流速以及密度的增加均能促进射流的失稳.这些结论与实验结果是定性一致的.结果也表明,在不考虑初始界面电荷密度时,单一的轴向电场能抑制射流的失稳.      

基底弹性对蒸发超薄液膜去润湿过程的影响

研究了基底的弹性变形对蒸发超薄膜的稳定性和去润湿动力学过程的影响. 基于长波近似, 得到了关于液体薄膜厚度的演化方程. 运用线性稳定性理论和数值模拟两种方法, 研究了基底弹性、范德华力以及液体蒸发等因素对液体薄膜的稳定性和去润湿过程的影响. 研究结果表明增大基底的弹性系数或者减小液体的表面张力, 都能加速液膜的破碎, 并且能够影响气液界面波的波长; 液体蒸发能促进气液界面扰动的增长, 有助于液膜的破裂.      

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.     

非轴对称扰动下含悬浮固粒旋转射流场稳定性研究

考虑含有悬浮固粒的理想不可压旋转圆射流的运动方程，借助势流理论推得扰动增长率随径向波数变化的表达式，进而得到含悬浮固粒射流稳定性的修正瑞利稳定性准则，求出了非轴对称扰动下不同扰动阶数、固粒质量密度、固－气脉动速度比值、固－气脉动速度相位差、斯托克斯数时旋转射流的增长率曲线。然后根据修正瑞利稳定性准则分析给出了关于悬浮固粒的属性对旋转射流场稳定性影响的几个重要结论，为控制旋转射流场和后续发展提供了合理的依据。     

含能气体射流与液体相互作用的实验研究

为了研究整装式液体发射药的燃烧稳定性的控制方法,设计了点火喷射模拟装置及4种多级渐扩型观察室,利用数字高速摄像系统,观察含能气体射流在液体模拟工质中的扩展过程,并对实验中出现的喷孔壅塞现象进行了分析.结果表明:射流在渐扩型结构中扩展稳定,喷射压力、喷孔直径和渐扩结构对射流扩展形态和气液掺混过程有显著影响,通过合理调整这些参数,可以实现对射流扩展过程的有效控制;喷孔壅塞时射流扩展形态非对称,影响气液掺混,不利于控制射流的稳定性.     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

Stability and evolution of liquid-gas interfaces on superhydrophobic surfaces

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液-气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液-气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液-气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液-气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液-气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液-气界面稳定性研究的主要进展,总结液-气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

超疏水材料表面液—气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

超疏水材料表面液-气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素。微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面。在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展。该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题。在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性。然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制。最后,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

气液活塞式脉冲液体射流泵装置稳定性的理论研究

气液活赛式脉冲液体射流泵装置用于输送有毒、高温或放射性液体,装置在运行时,气液活塞筒内的气液交界面必须稳定在活塞筒内,形成稳定的脉冲运动,才能保证装置正常的稳定运行,本文在分析影响气液活塞式脉冲液体射流泵装置稳定性的主要因素基础上,运用流体力学的基本理论,导出了装置稳定性的基本方程组以及简化方程组,通过试验对上述理论进行了验证。     

通气超空泡稳定性分析的一种数值算法

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值仿真研究. 研究表明:Semenenko提出的稳定性判据可以有效判定通气超空泡形态稳定性,当超空泡处于判据的稳定区域时,超空泡表面形成的扰动波在扰动停止一段时间后消失,超空泡恢复到初始形态;当超空泡处于判据的不稳定区域时,超空泡发生自激振荡,超空泡表面形成的扰动波振幅逐渐增大,导致超空泡形态与内部压力发生周期性或准周期性振荡.      

STW型生态土壤稳定剂改良工程粘性土胀缩性试验研究

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡 形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值仿真研究. 研究表明： Semenenko提出的稳定性判据可以有效判定通气超空泡形态稳定性,当超空泡处于判据的稳 定区域时,超空泡表面形成的扰动波在扰动停止一段时间后消失,超空泡恢复到初始形态; 当超空泡处于判据的不稳定区域时,超空泡发生自激振荡,超空泡表面形成的扰动波振幅逐 渐增大,导致超空泡形态与内部压力发生周期性或准周期性振荡.     

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提. 因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程, 以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值, 也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散, 最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.      

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.