超声悬浮乙醇液滴气动变形与运动特性研究

利用超声悬浮的方法为液滴提供静止、无接触初始条件,用高速摄影机拍摄液滴,研究不同直径乙醇液滴在Weber数5~90,脉冲气流冲击作用下的变形与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增大,液滴先后产生常见的袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。不同破碎模式在本质上都是袋状破碎,包括边缘环袋破碎与液核多袋破碎。Weber数越大,边缘环袋破碎作用越弱,液核多袋破碎越占据主导地位。乙醇液滴的迎风面顶点纵向运动遵循匀加速规律,其无量纲位移与无量纲时间符合二次函数关系式。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段：一个是惯性控制阶段;另一个是毛细效应控制阶段。液滴未破碎时,其横向扩展无量纲直径与上述无量纲位移符合二次函数关系式,而破碎后二次液滴的无量纲扩散直径与毛细时间则符合线性关系式。     

超声悬浮乙醇液滴气动破碎特性研究

采用超声波悬浮液滴的方式,选取直径分别为1.0mm、1.5mm和2.0mm的乙醇液滴为研究对象,在韦伯数We=15~90的范围内,对其在脉冲气流中的破碎特性进行了实验研究。利用高速摄像机拍摄破碎现象,分析了液滴的破碎模式与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增加,液滴先后产生袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。三种不同的破碎模式本质上都是袋状破碎——边缘袋状破碎与核心袋状破碎,低We数下主要为核心袋状破碎,高We数下主要为边缘袋状破碎。We数越大,破碎形成的袋直径越小,数量越多,破碎越剧烈。初始直径增大会使液滴转变破碎模式的临界We数增大。脉冲气流中乙醇液滴的迎风面运动遵循匀加速规律,其无量纲位移以We-1/2的比例缩小后是无量纲时间的简单二次函数。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段,一个是惯性控制阶段,另一个是毛细效应阶段。     

初始直径对单液滴破碎特性影响的试验

为了获得均匀横向气流中单液滴变形、破碎特性,采用高速摄像机对液滴的变形、破碎过程进行了测量.通过试验获得了液滴初始直径对液滴破碎模式、变形时间、变形与破碎总时间、无量纲索太尔平均直径的影响.在试验设计工况下所得结果表明:液滴破碎临界韦伯数随液滴初始直径的增加而增加;液滴初始直径增加使得液滴由单一的破碎模式转变成多种破碎模式共生的混合型破碎模式;相同韦伯数下,在初始直径尺寸较大的区域液滴变形时间、变形与破碎总时间都比尺寸较小的区域要大,变形时间随韦伯数增加呈先减小后不变的线性变化关系,而变形与破碎总时间随韦伯数增加呈先减小后增加再减小的线性变化关系;液滴初始直径对无量纲索太尔平均直径的影响能力要强于气液初始相对速度对其影响.      

气流中煤油凝胶液滴变形破碎过程的试验

为了研究煤油凝胶液滴的二次雾化特性,以煤油凝胶和煤油为工质,利用高速摄像系统对均匀气体射流中的液滴变形破碎过程进行了记录测量,获得了不同We下液滴变形破碎的模态特征及转变We,研究了Oh对总破碎时间的影响和We对最大直径变形率的影响。结果表明:在试验工况范围内,煤油凝胶和煤油液滴都依次出现振荡、袋形、多模态破碎模态,但模态特征和转换We不尽相同。煤油液滴总破碎时间随Oh的增加而增加,而煤油凝胶液滴总破碎时间随Oh的增加先增加后减小再增加。煤油液滴最大直径变形率随We的增加先增加后不变,而煤油凝胶液滴最大直径变形率随We的增加先增加后减小。基于试验数据,分别获得了煤油凝胶和煤油液滴的总破碎时间关于Oh,最大直径变形率关于We的拟合关系式。     

液滴二次雾化的直接数值模拟(英文)

液滴破碎现象是喷雾燃烧室中常见而且重要的现象。对液滴在气流中的变形和破碎的过程和规律进行了数值模拟。对液滴和气流采用了二维非稳态轴对称Navier-Stokes控制方程,SIMPLER方法进行流场求解,结合Level Set方法追踪气液界面。计算得到了四种典型的破碎模式:振荡,袋状破碎,薄片剥离破碎和剪切破碎。研究了四个无量纲数对雾化结果的影响,分别是韦伯数(Weg)、液体雷诺数(Rel)、气体雷诺数(Reg)和密度比(γ)。结果发现韦伯数是最重要的控制液滴雾化的参数,液体雷诺数和气体雷诺数次之。计算参数范围将密度比扩展到1000,发现了被研究者称为"多模式破碎"的破碎模式,这种破碎模态包含"剪切"和"刺穿"相继发生的两种破碎,计算结果与实验现象定性相一致。     

激波冲击下液滴变形破碎的黏性特征

为了获得不同黏度的液滴在高速气流中变形破碎的形态特征图像,定量分析黏性对变形破碎过程的影响,使用高速相机直接拍摄法在水平激波管中实验研究了液滴的变形破碎过程,测量了液滴迎风面位移、横向变形宽度、破碎时间等特征参数。所得结果表明:液滴的黏度较低时,液滴尾部形成的尾迹形状为细长的尖锥形,当液滴的黏度较高时,尾迹形状呈现波纹状,随着黏度的逐渐增大,液滴的尾迹更加复杂且紊乱;由于波后气流的作用,液滴迎风面发生变形失稳并演变出“尖钉”结构;黏性对液滴变形破碎过程起阻碍抑制作用;随着液滴黏度的增加,Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性发展速率减缓,“尖钉”的数量先增加后减小。      

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

连续均匀热气流中液核/袋状破碎特性实验

为了获得热气流中单液滴液核/袋状破碎特性，采用高速摄像机对液滴变形、破碎过程进行了捕获.实验设计工况下所得结果表明:①液核/袋状破碎过程是液滴中液体流动与外界气动力共同作用下发生的，可以分为伞形破碎与勺形破碎；②液滴初始直径减小、气流温度增加，都可以降低液滴发生液核/袋状破碎所需最小气动力；③液滴破碎特征时间，随气动力增加呈负增长变化趋势，其值与变化梯度都随液滴初始直径增加而增大；④子液滴质量分数随气动力增加而增加，且随液滴初始直径增加而减小；⑤子液滴群质量分数的空间离散度都随气动力增加而增加.      

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82We691,9.6×10-4Oh3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。     

单液滴破碎空间尺寸分布特性的实验研究

为了研究液滴破碎后颗粒云空间尺寸分布的机理特性,通过试验方法并建立相应的均匀性指标数学模型,分析了不同We数对液滴破碎后颗粒群空间分布均匀性的影响。结果表明:(1)液滴袋状破碎后颗粒分布类似于袋形的蜂窝结构,并以类似爆破的形式向后方外围扩散分离。(2)多模式破碎后颗粒群为类似于"树"形结构的颗粒分布,前端有分布密集、粒径较小的聚集团,后方分布着大范围的颗粒群。(3)剪切破碎后颗粒群为类似"桶"形的颗粒分布,外围分布着大量颗粒,而内部分布较为复杂。(4)在We数为10~70时,颗粒群的离散率在整体上是呈现先升高后下降再升高的趋势。当We数为30和60时,两个方向上的离散率存在较大差异,而三种不同的破碎模式中,剪切破碎均匀性表现最好。     

单液滴破碎流动机理试验研究

为了研究单液滴破碎内部流动机理,采用高速摄像机对不同流场分布中的液滴变形、破碎过程进行了捕获.基于试验中获得的现象,分析了液滴环境流场结构对液滴变形、破碎过程的影响,对液滴破碎流动机理进行了相关验证,并对其做了进一步完善.研究结果表明:气流的作用强度及液滴内、外部液体的流动特性决定了液滴不同破碎模式的发生;在气流作用下,在液滴的外部,液体沿气流方向的前、后驻点向垂直于气流方向的中心截面极点处运动;而在液滴的内部,为了克服液滴沿气流方向被压缩、沿垂直于气流方向伸展,在阻碍液滴变形内力的作用下,液体沿垂直于气流方向的上、下2极点向液滴中心位置处运动,使得液滴仍然保持球形.     

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。     

水滴动力学行为对其撞击特性影响

设计了一种压电式等径离散水滴发生器,利用高速摄影的手段对水滴变形现象进行了实验研究。建立了水滴变形后的非球形阻力模型,同时引入了水滴破碎和飞溅模型,采用欧拉法对不同条件下水滴撞击NACA23012翼型的过程进行了数值模拟,并与传统模型下水滴撞击特性计算进行了对比。研究表明:水滴变形会导致其阻力系数增大,水滴阻力系数曲线在雷诺数大于500时逐渐脱离球形阻力曲线,不断增大接近圆盘阻力系数;水滴阻力特性的改变会影响水滴运动轨迹,增强水滴的气流跟随性;水滴飞溅会造成水滴质量损失,减小翼型表面局部水收集系数,这与实验数据更加吻合。      

结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究

为明晰结冰风洞中过冷大水滴（SLD）云雾演化特性,发展了基于欧拉法的SLD液滴运动、传热和传质耦合计算方法,针对3 m×2 m结冰风洞主试验段水平收缩构型,分析了SLD云雾沉降收缩特性、动量平衡特性和热平衡特性,探索了液滴变形破碎的影响,评估了构型出口处SLD液滴动量平衡和热平衡状态。研究结果表明：直径超过250 μm的SLD液滴在构型内会发生显著形变,液滴尺寸越大则变形程度越强,尤其在160 m/s工况下,当液滴直径超过750 μm后,SLD液滴甚至会发生破碎;液滴变形破碎效应会增大液滴加速度和液滴温度下降率,促使SLD液滴趋近动量平衡和热平衡状态;SLD云雾（最大液滴直径小于1 000 μm）在构型出口处会出现显著的粒径浓度分层、动量分层和热分层现象,其中直径小于100 μm的小尺寸液滴速度快、温度低且不断凝结,趋于平衡态,但直径超过500 μm的大尺寸SLD液滴速度慢、温度高且不断蒸发,则显著偏离平衡态;增大试验段气流速度尽管会减弱SLD云雾粒径浓度分层程度,但会增强动量分层和热分层程度,尤其在160 m/s工况下,SLD云雾会均匀分布在构型出口中心区域内（-0.75 m < Y < 0.75 m且-0.5 m < Z < 0.5 m）,与其平衡态间的最大速度差和温度差将分别超过18 m/s和20℃。     

随机分布介尺度油滴群的燃烧特性

对液雾燃烧中随机分布油滴群的蒸发/燃烧特性进行了数值模拟研究,详细考虑了油滴尺寸、坐标分布、数密度等相关参数的随机性。采用一步总包反应机理对其进行大涡模拟,在不同的来流速度、环境温度下,剖析了不同数密度油滴群的阻力特性及蒸发率,并结合油滴群燃烧模态分析油滴间的相互作用规律。研究表明,油滴群燃烧模态同时包含单油滴三种油滴燃烧火焰模态；各油滴表面燃料蒸气的浓度分布呈现非对称性,反应核心区发生角度偏转；在强对流环境下,蒸发/燃烧油滴群的平均表面蒸发率与阻力系数的变化与蒸发/燃烧单油滴相似,油滴间的强烈相互作用加速了油滴群蒸发/燃烧的传热传质。      

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。     

变形破碎特性对SLD结冰过程影响

基于结冰过程数值模拟,针对过冷大水滴（SLD）条件下的变形破碎特性及其对成冰过程影响进行了研究。利用动态阻力计算模型,分析了水滴变形对水滴运动轨迹影响,采用基于泰勒类比理论的计算模型,研究了水滴破碎过程、子液滴粒径分布特性等。完成了NACA 0012翼型典型SLD结冰算例的数值分析,与参考文献计算结果和实验数据进行对比。结果表明:对于SLD结冰,变形和破碎主要改变了水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,在加入变形破碎特性的计算模型后,可以较好预测结冰极限位置和冰形轮廓,说明该方法对SLD变形破碎效应及其影响的模拟是可行和正确的。      

三维五向编织复合材料的冲击压缩特性及破坏机制

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统和高速摄像技术对三维五向碳/环氧编织复合材料的动态压缩特性进行研究。通过对编织角为22.3°的试样分别进行沿纵向和横向方向的冲击压缩实验,得到材料在200~1200 s^-1应变率范围内的应力应变曲线,并结合高速摄像记录的动态压缩过程,对不同应变率下材料在高速变形下的渐进破坏规律进行分析。同时,综合试样的宏观破坏特征和微观断口形貌特征,进一步分析材料的破坏模式及破坏机理。结果表明:随着应变率的增加,材料在纵向和横向均具有一定的应变率强化效应,在横向方向的应变率强化效应更为显著;不同加载方向下材料的渐进破坏过程、应力应变曲线特征以及破坏方式均具有明显差异,且随着应变率的增加而发生改变。