超声速混合层液滴两相流动的大涡模拟

为研究超声速气流中液滴与气流的混合及液滴蒸发对混合的影响,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构,气相流场采用亚格子(SGS)模型和切应力输运(k-ωSST)湍流模型,液相模拟采用轨道模型和单液滴蒸发模型。在混合层前缘入口处均匀持续地投放液滴,并在液滴入口处下方添加非周期小扰动,并观察液滴蒸发过程对该小扰动造成的影响。分析了入口小扰动在流场中不同的发展情况,发现液滴的蒸发过程使混合层厚度增加并加速混合层的发展,对气相流场扰动较强,可能导致流动失稳,对混合过程有很大的促进作用。     

流向强迫作用下的液体初始雾化机制及动力学特征

使用Volume of fluid (VOF)方法和基于树形数据结构的自适应算法来研究射流雾化的破碎过程以及扰动对射流破碎机理产生的影响。在无扰动情况下,液体射流的头部、液丝和液滴随着射流时间的发展不断发生演变。射流头部先呈现蘑菇状外形,随后液丝生成,并慢慢转变成网兜状,直至断裂形成小液滴。在周期性流向强迫的作用下,射流液柱的表面会形成周期波,其液丝破裂形成液滴的时机与稳定射流情形相比会有所提前,射流形成的头部更趋于扁平,最终生成的液滴数量更多。低中频阶段,随着扰动频率的增大,射流未扰动液柱长度(L)逐渐缩短,液滴直径的概率密度分布(PDF)趋于尖锐,液滴平均直径(SMD)增大。在高频阶段,随着扰动频率的增大,L会随之增大,液滴直径的PDF分布变得平缓,SMD会减小。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术，对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟，揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时，射流会随着时空演化逐渐失稳，而当大于临界值时，表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构，在其表面留在冲击凹痕；随着波节振幅不断增大，液膜发生穿孔式破裂，进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动，从而减缓射流的雾化进程；射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小，且两者存在相互耦合。     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

剪切流场中分散相液滴行为研究

目前乳化液破乳机理研究领域对剪切流场作用下分散相液滴行为的研究仍存在一些需要解答的问题。通过设计内外筒反向旋转剪切实验装置,结合数字图像处理技术,从实验角度进行了系统研究。实验数据显示液滴在剪切流场中发生三维力学变形,通过提出液滴形变非仿射度和综合变形度的概念,对液滴变形规律及其机理进行了相应的实验及理论探讨。同时,通过新颖可靠的测量方法,探索了液滴变形过程中内外流场压差的变化规律,数据显示液滴内外压差变化显著,且影响液滴形态。此外,还对剪切流场中液滴的变形过程进行了数值模拟,结果与实验及理论符合较好。提出了一套系统的液滴模型描述方法,为今后精确液滴变形形态数学模型的建立打下基础。     

多级低压涡轮内部非定常流场扰动分析

采用三维数值模拟方法,对带有过渡段和后机匣支板的低压涡轮进行全环非定常数值模拟,分析了各个叶片排流场中存在的非定常扰动及扰动源,研究了低压涡轮第二级中存在的多种扰动源叠加现象,并对流场中的静压波动进行了频谱分析。结果显示,过渡段的二次流对低压涡轮内部流场存在明显扰动,并向下游传播至涡轮出口。第二级动叶中,上游导叶通过频率与过渡段二次流自身脉动频率产生叠加,形成的新扰动频率为两者产生的差频。采用全环非定常数值模拟预测多级低压涡轮内部流动中存在的各种扰动频率及其相互叠加很有必要。     

液体射流首次破碎的直接数值模拟及动力学过程分析

为探究液体射流破碎的失稳和首次雾化过程,结合使用VOF(Volume of Fluid)界面流模拟方法和有界压缩格式,对以30m/s的速度进入静止空气的射流进行了直接数值模拟。计算捕捉到了射流破碎引起的液丝和液滴和复杂流场结构的演化过程,以供开展动力学特性研究。研究分析了射流头部和液柱核心的形态变化过程,考察了射流与周围空气两相之间的相互作用机理。分析指出射流前锋最先受到扰动,在空气动力作用下产生液丝和液滴,同时将扰动借助气相和液相两种介质向上游传递,对射流的破碎进程产生促进作用。随着射流失稳和破碎程度加深,流场高度紊乱,使得气液混合程度进一步提高。揭示了射流首次破碎时头部抽丝的动力学机制,以及液丝在周围气体影响下演变并产生液滴的若干机制。     

基于图像处理的高频脉动撞击雾化特性研究

为研究高频脉动下撞击式喷嘴的雾化特性,采用水力扰动装置产生喷前压力扰动,由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄,采用普通长焦距镜头拍摄宏观的喷雾场,采用微距镜头拍摄微观的喷雾场。为解决高频脉动喷雾场瞬态液滴粒径测量困难的问题,基于图像处理建立了雾场瞬态液滴粒径捕捉测量方法,获得了高频脉动喷雾场局部区域的Sauter平均直径（SMD）随时间的变化规律。从宏观来看,自然喷雾场的液滴空间分布比较均匀,而高频脉动喷雾场则出现了稠密区与稀疏区交替分布的现象。宏观雾场灰度值较小的区域对应稠密喷雾区,从微观来看,该区域的液滴行为更加复杂,发生了液滴碰撞融合、二次破碎等一系列复杂物理过程。雾场空间出现复杂的液滴行为,导致液滴的粒径分布与空间分布发生改变,对燃烧释热产生重要影响。自然喷雾场的SMD随时间的变化表现出白噪声特性,高频脉动喷雾场的SMD随时间的变化表现出周期性特征,并且周期性变化的频率与施加的强迫扰动频率一致。     

复合材料热压罐热流耦合数值模拟技术研究

基于热压罐成型仿真软件,采用有限元方法对复合材料成型的热压罐内流场、温度场进行了研究。流场计算优化了罐内的流场分布,确定了零件工装在罐内的合理位置;温度场计算表明:当固化9000s以后,罐内的流场稳定、温度场均匀。通过热压罐热流耦合数值模拟与工程实际相结合,不但可以大大提高工艺设计效率,而且可以弥补工程实践中难以预测的流场和温度场变化过程,提高产品固化质量。     

旋转开槽圆筒式阵风发生器流场特性数值模拟

在OpenFOAM开源代码框架下开发求解器,对旋转开槽圆筒式阵风发生器的动态等效升力系数进行数值模拟,与试验结果吻合较好,验证了求解器的正确性。在此基础上,对该型阵风发生器的下游流场扰动风速进行了数值模拟和流场分析,分析了开槽圆筒旋转方向、下游流场位置、减缩频率等因素对下游流场扰动阵风的影响规律。结果表明,开槽圆筒的旋转方向对中心线上下两侧流场产生不同影响,对中心线附近的流场干扰较大。阵风幅值的变化与减缩频率有关,当减缩频率值在0.2～0.25之间时,产生阵风的正弦特性最佳。该数值模拟的结果对阵风发生器试验装置的设计具有一定的指导意义。     

液气式针栓喷注单元喷雾场结构试验研究

径向孔型针栓喷注器相对于径向缝型针栓喷注器具有更复杂的喷雾场。为了研究径向孔型针栓喷注器的喷雾场结构，将径向孔型针栓喷注器简化为单个气体射流与液膜碰撞的针栓喷注单元，采用了背景光成像系统结合激光相位多普勒技术（PDA），以水和空气为模拟介质，对液气式针栓喷注单元的喷雾场进行了试验研究。试验结果表明，液气式针栓喷注单元喷雾的三维结构呈现“喇叭”状。根据喷雾的形成过程及液滴的分布，液气式针栓喷注单元喷雾可以划分为4个区域：碰撞区、液滴区、液雾区及液丝区。液气式针栓喷注单元喷雾的分布范围可由内边界角、外边界角、中线角及散布角表示，均随局部动量比的增大而增大。液滴区的粒子主要由碰撞过程产生，SMD较大；液雾区的粒子经碰撞过程产生后，在气动力作用下进一步雾化，SMD小。由于液雾区的速度和粒径同时受到气动力作用的影响，粒径分布与速度分布在空间上呈现负相关趋势。     

Dominant Factors of Metal Jet Breakup in Micro Droplet Deposition Manufacturing Technique

For the solutions of random variations of metal jet breakup and difficulties in controlling and predicting the process parameters (e.g. jet length) in micro droplet deposition manufacturing technique, experimental methods combining with theoretical analyses have been developed. The jet formation, jet length and their dominant factors (oxygen concentration and disturbance frequency, etc.) are discussed. The statistical law of jet length is found that the probability density function (PDF) of jet length is a log-normal distribution. The results show that the formation and size accuracy of metal jet breakup are improved by adjusting the gas pressure and optimizing the disturbance frequency. Under this circumstance, the jet length and morphological deviation can be minimized, which provides a stable droplet stream for the subsequent manufacturing process.     

提高旋转式电场仪测量电场特性的方法研究

在介绍旋转式电场仪测量电场强度的机理及测量系统构成的基础上,针对在特高压直流输电线路下地面合成电场测量中,各电场仪的输出电压与被测电场强度的特性曲线不一致,外场较恶劣测量环境对测量结果造成干扰影响测量准确度等问题,提出了相应的解决方法（特性曲线归一化处理和双路消噪差动测量法）。所述方法便于用户现场使用,提高了旋转式电场仪抗干扰能力和测量准确度。     

液滴喷射过程微熔滴充电的理论建模?

 为了精确分析微熔滴在静电场中的带电量，本文建立了微熔滴形成时的静电感应模型，并针对液滴相互静电力影响，提出了预测熔滴平均带电量的算法。对不同频率下的熔滴充电过程进行有限元建模计算，得到了不同频率下微熔滴带电量与充电电压的关系，可以预测微熔滴的平均带电量。计算结果与实际结果吻合良好，比现有理论方法更为接近实际结果。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

基于疏水功能表面的飞机防覆冰机理研究进展

如何规避飞机结冰产生的飞行安全隐患一直是航空领域的重要问题。近年来,疏水材料表面被动防覆冰概念被提出并快速发展起来。首先介绍了在液滴冲击阶段防止表面结冰的机理及方法,系统综述了包括减少水滴与表面接触时间以及减少冰核形成时间的研究方案。又进一步介绍了液滴结冰后的防覆冰机理,综述了通过优化疏水表面性能及微纳结构形貌减小冰黏附力的研究进展。最后对疏水表面防覆冰的发展趋势进行了展望。     

A Modified Discrete Karhunen-Loeve Random Field Estimator

Based upon the modified Karhunen-Loeve model of the gravity disturbance vector proposed by us recently, a corresponding Karhunen-Loeve random field estimator is developed in this paper for a two-dimensional grid of gravity data in a local finite region.The new eigenvectors obey the "required" orthogonality relations on the chosen grid provided the KL expansion is now separated into odd and even integers. The closed-form solution of the estimator isthen obtained under the "diagonal" assumption for the gain coefficients. It is shown that this assumption, without which nosolution is possible, enables the estimator to reproduce the data atgrid points when the noise in the data is absent and the number of terms in the Karhunen-Loeve expansion are equal to the number of grid points.