SPH方法对金属表面微射流的数值模拟

 光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种无网格的拉氏计算方法,具有计算格式简单、易于计算大变形问题等优势。用二维SPH程序模拟了冲击加载下金属铝表面的沟槽状缺陷产生微射流的过程,得到了喷射物的总质量、最大速度和质量-速度曲线。还计算了相同深度、不同夹角的沟槽微射流,并与实验结果进行了比较。结果表明：计算得到的喷射物总质量和最大速度与实验结果符合较好,SPH方法对于估算金属表面的微射流提供了一种有效的数值模拟手段。     

城垛形喷口两相圆湍射流拟序结构的流动显示研究

用流动显示的方法对城垛形喷口气固两相圆湍射流中的拟序结构进行了研究。实验中采用直径为150 μm和350μm的玻璃微珠示踪固相,固相的气载比大约在1.0左右。喷口流动雷诺数为5000,斯德鲁哈尔数为0.50。实验结果表明:城垛形喷口能够影响两相圆湍射流中大涡结构的产生和演化。无动态激励时,城垛形喷口能促进大涡结构的产生和演化。有动态激励时,该喷口对射流中拟序结构的影响与流场中的颗粒大小有关。因此,城垛形喷口是控制两相圆湍射流拟序结构的一个有效途径。     

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究,分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明:三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段,表现出典型的欠阻尼放电特征;等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值,当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时,"前驱激波"以当地声速（约345 m/s）恒速传播,否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播,且与射流速度呈现相同的变化趋势,即随着放电电容和出口直径的增加而增大,随着腔体体积的增加而减小.      

水滴结冰结霜及合成双射流的防霜防冰实验

对水滴结冰结霜过程及合成双射流作用时水滴结冰结霜过程分别进行了实验研究.实验中将半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,采用电子显微镜观测无合成双射流和开启合成双射流作用的水滴凝固结冰结霜过程.结果显示:水滴从下部向上逐渐凝固,并且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.由于水凝固为冰,密度减小、体积增大,使得水滴形态改变,顶端突出,变成锥形.由于合成双射流强迫产生对流换热,凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜,而是在水滴表面均匀形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移,霜的厚度并没有增加,并且水滴的高度降低,凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦,水滴与冷板平面的接触面积增加.      

压敏漆测压在低速射流撞击壁面的应用研究

压敏漆(pressure sensitive paint,PSP)测压是一种基于发光分子氧猝灭效应的测压技术,与传统测压方式相比具有成本小、空间分辨率高等特点.实验搭建了压敏漆测压硬件平台,开发了数据处理软件系统.利用驻点处的压强与灰度关系拟合了标定曲线,研究了低速射流撞击平板表面的压强分布特性,分析了喷管距离壁面高度和雷诺数的影响.结果表明,当喷管高度h/d<6时,压强分布曲线的峰值压强和半宽度随喷管高度变化基本不变;当喷管高度h/d>6时,随着高度的增大,峰值压强线性减小,半宽度线性增加.采用峰值压强和半宽度对不同喷管高度的压强分布曲线进行无量纲化,压强分布曲线呈现自相似特性.进一步研究表明,在实验雷诺数范围内,压强分布受雷诺数影响较小.      

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

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.      

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。     

液相射流中中Al元素单双脉冲LIBS研究

为了综合比较单双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在液体中重金属元素的检测效果,利用自建的液相射流单-双脉冲LIBS技术装置,对AlCl₃水溶液中的Al元素LIBS特性进行测量和分析。实验中使用两台532 nm Nd∶YAG激光器作为激发光源,等离子体辐射信号通过光谱仪和ICCD进行采集。实验研究了单脉冲下Al(396.15 nm)发射谱线的谱线强度随激光能量、ICCD门延时、门宽之间的变化关系,获得了最优化实验参数激光能量为50 mJ,ICCD门延迟为1 200 ns,门宽为150 ns。在相同的实验条件下,实验考察了Al(369.15 nm)发射谱线的谱线强度随双脉冲之间的延时,激光总能量,ICCD门延时的变化关系,获得了最优化实验参数为两双脉冲之间的延时为1 000 ns,激光总能量为50 mJ,ICCD门延时为1 100 ns。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属Al的LIBS检测限分别为26.79和10.80 ppm,双脉冲LIBS技术使元素检测限下降2倍多。实验结果表明双脉冲可以提升LIBS技术的探测灵敏度,为LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。