流动聚焦中液体锥形形态和流动结构实验研究

流动聚焦(flow focusing)是一种制备单分散性微纳米尺度液滴、颗粒和胶囊的毛细流动技术，小孔上游稳定的液体锥形的形成是产生射流并高效制备微液滴的前提条件。采用量纲分析方法得到了被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对锥形稳定性的影响，利用吸气式流动聚焦装置观测了锥形界面形态及稳定性，验证了理论分析结果，通过调控主要过程参数获得了锥形稳定的参数区间。在被聚焦液体内部添加示踪粒子，采用高速摄影技术拍摄了流场图像并进行定量分析，探究了锥形内部的回流区结构及其变化规律，发现回流区的产生与锥形界面两侧的切向速度分布密切相关，被聚焦液体流量、驱动气体压差、毛细管与聚焦小孔距离对回流区的大小均具有显著影响。     

毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术，毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法，展示了完整的测试平台，介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时，给出了同轴界面的拍摄方法，可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中，探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下，研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响，并基于光的折射定律，对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中，考察了射流长度随振幅的变化，建立了尺度率关系，探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律，为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究.初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布.研究表明:射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀.     

基于机器学习的高速复杂流场流动控制效果预测分析

流动控制激励器是主动流动控制技术的核心，其设计水平和工作性能直接决定了主动流动控制的应用效果和应用方向。为了获得流动控制激励器的作用规律，需要大量实验研究激励参数对控制效果参数的影响，实验代价较大。利用逆向等离子体合成射流激波控制实验数据，采用机器学习中的高斯过程回归模型，获得激励器参数（头锥直径、腔体体积、放电电容、出口直径）到控制效果参数（最大脱体距离）的映射规律，对比多种核函数下高斯过程回归的预测效果，采用特征重要性分析方法分析激励器参数对控制效果参数的影响程度。结果表明:对于小样本问题，采用2次多项式核函数Poly2的高斯过程回归预测精度最高。在特征重要性分析上，头锥直径对最大脱体距离的影响程度最大；其次是放电电容和腔体体积，2个参数的影响相近；出口直径影响最小。本文工作可为高速复杂流场流动控制实验中激励器各项参数的设置提供一定参考。     

两相圆湍射流喷口小突片对强化射流混合作用影响的流动显示

通过流动显示研究了Re=2350,粒子平均直径分别为150μm和350μm的两相圆湍射流中喷12加装小突片对射流混合的作用。探讨了不同粒径颗粒的存在对喷口小突片的射流混合作用的影响。通过PDA测量验证了流动显示结果。表明在150μm和350μm颗粒存在的情况下,小突片使射流核心区缩短的作用更加明显,而对射流的扩散作用却有所抑制。     

受限空间内射流影响下主流内气固两相流动实验研究

为了研究壁面射流在受限空间内对不同粒径颗粒群分布的影响及其作用机理,搭建了横向矩形通道内的射流气固两相流动实验台.通过调整均匀流动段内的隔栅网数量和化置,在无射流条件下使不同粒径颗粒在高度方向上均匀充满整个横向通道.在主流雷诺数7.9×104,射流雷诺数1.8×104的条件下,采用PIV系统对流动通道中的气流场和颗粒分布进行测量.由瞬态涡结构图片发现,带主流受限空间内的射流涡结构与自由射流涡结构具有明显差异,存在不对称的连续涡结构发生、脱落与破裂过程.通过观察射流对不同尺度颗粒的影响,详细分析了射流对颗粒分布发生影响的两大机理,并由此预见了壁面射流控制手段在上程上的应用性.     

高压静电场中油液射流特性的实验研究

依据静电学和液体荷电的基本原理,分析了高压静电场中荷电油液在射流区、过渡区和雾化区的特性,提出射流长度,雾化角和液滴粒径分布是描述液体荷电射流特性的主要指标.通过自行设计和组装实验装置,分别探讨了不同电压下油液的射流长度和雾化角随电压的变化关系以及液滴粒径在电场中的分布规律.研究表明:射流长度随着电压的增大,总趋势是减小的,但在不同区域,电压对射流长度的影响不同;雾化角随电压增大到一定程度后,逐渐减小,最后趋于稳定;液滴的粒径随着电压的升高不断减小,当电压在65kV左右时,粒径较小且分布最为均匀.     

电邦德数影响下无水乙醇的荷电微射流不稳定性

基于高速摄像及小尺度PIV技术对无水乙醇荷电微射流雾化模式的演变及射流不稳定性进行了实验研究。精确捕捉了无水乙醇荷电微射流的显微演变过程，探讨了电邦德数影响下不同雾化模式的射流不稳定性演变特征及其对微射流雾化特性的影响规律。实验结果表明:射流的非轴对称性径向扰动贯穿于整个射流雾化模式区间；随着电邦德数不断增大，射流偏离度呈先增大后减小的趋势，而其不确定性的脉动范围在锥射流模式下不断增大，过渡到多股射流模式后，脉动范围逐渐减小至零，而后再逐渐增大；锥射流模式下，射流核心区及速度方向均偏离轴心，射流速度较纺锤模式明显回落；多股射流模式下，射流核心区速度明显回升，但不同电邦德数下多股射流之间的速度分布差异较大；多数情况下，射流边界处的流线较为紊乱，缺乏对称性，但在电邦德数为13.30~13.60的极小区间内保持稳定的多股射流稳定雾化形态，射流核心区速度达到峰值。     

二阶矩湍流模型在喷管两相流中的应用

本文应用一种考虑气体一颗粒湍流相互作用的二阶矩模型对喷管跨音速两相流动进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和载荷比对流动的影响。计算结果和实验数据及前人研究结果相吻合．表明二阶矩模型能够对跨音速两相湍流做出很好地预测。     

磁性纳米颗粒对微槽道液体流动的混合增强作用

为了改进微流控芯片中液体混合效率,尝试在一种液体中加入磁性纳米颗粒,增强与另外一种液体混合.在外加磁场作用下,对Y型微槽道中磁性与非磁性液体流动混合进行了实验观测,所需混合长度较无磁场时缩短了约2个数量级.利用CFD软件进行数值模拟,验证了外磁场作用下纳米磁性液体对流动混合有着明显的强化作用.     

平衡孔直径对离心泵小流量工况空化特性影响

为研究小流量工况低比转速离心泵的空化特性，以一台降速后的IS80-50-315型离心泵为试验对象，专门设计了更换平衡孔直径的装置，当平衡孔直径等于4、6、8和11mm时分别对0.4Q_d、0.5Q_d、0.6Q_d和0.8Q_d这4个工况进行测试并分析。结果表明，叶轮平衡孔直径增大，泵扬程减小，效率下降。小流量工况下，随空化数的减小，不同平衡孔直径叶轮所受扭矩与泵扬程均出现不同步的陡降，且扭矩有明显的匍匐变化，这主要是由蜗壳和叶轮之间的动静干涉引起的；同一空化数下加大平衡孔直径，扬程系数增加，叶轮轴向力减小，离心泵的抗空化性能增强；同一平衡孔直径下流量越小，离心泵越不易发生空化，但随着离心泵内空化的产生和发展，泵腔内液体压力的下降速率先增大后减小，叶轮轴向力具有先趋于平坦后急剧增加的规律。从抑制空化和减小轴向力的角度，提出平衡孔直径在6~8mm较为合适。     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

基于环状超声速气流引射作用的靶式气流磨研究

气流磨作为生产超精细粉末的设备在工业界得到了广泛应用。通过数值模拟和试验验证，提出了一种超声速靶式气流磨。该气流磨采用环状超声速气流引射颗粒流，使其达到超声速状态并获得极大动能，以颗粒束形式维持于气流中心，准确碰撞靶头，实现超声速粉碎。对颗粒速度和运动轨迹的两相流数值模拟结果表明:在总压1.5 MPa、马赫数3.0的超声速气流引射作用下，粒径为25~1 μm的颗粒可加速至440~530 m/s，并精准地碰撞靶头。在此基础上，设计制造了超声速靶式气流磨并进行了铁粉粉碎试验和靶头侵蚀试验，结果表明:颗粒具有极大的碰撞能量，且与靶头发生了聚焦式碰撞。     

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性，建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统，对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像，记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位，获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置，统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现:在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下，液滴粒径主要分布在200 μm以内，其中30～40 μm粒径占比最高，均在15%以上；三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大，边缘区域粒径较小；油温降低对雾化效果恶化显著，使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降；油温从28 ℃降至–20 ℃时，下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上，局部大于650 μm；–40 ℃时，喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构，燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性，获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。     

液体轴对称抛撒破碎和雾化的实验研究

对静止空气中液体轴对称抛撒的首次破碎及二次破碎进行了实验研究,通过纹影装置获得其首次破碎及二次破碎发展过程的纹影照片,通过激光散射粒子直径测量仪获得了二次破碎所形成雾化场的Sauter平均直径(SMD)随时间和空间的分布.实验结果表明,由于"Rayleigh-Taylor不稳定性"的发展,在液体抛撒所形成液核的前端发生了具有波浪形的首次破碎,首次破碎所形成球形液体颗粒的直径与发生首次破碎的液核前端的液体薄层厚度基本相当.由于不同直径液体雾滴的速度弛豫时间的差异,导致二次破碎后的雾化场具有大雾滴在前、小雾滴在后的特征.同时,由于实验液体具有高挥发性,导致与轴线的距离超出某一范围后,二次破碎所形成的雾化场又会出现雾滴的SMD随距离的增加而逐渐减小的趋势.     

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境，利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴，并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速（Micro-PIV）实验，研究了雷诺数（Re）对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明，当Re=11.1时，液滴内部出现了一个涡胞结构；当Re=33.3时，液滴中心处的流速达到最大值，约为10 μm/s。然而，当Re=44.4时，涡胞消失，平均流速降低。同时，液滴尺寸随Re增加而减小。此外，Re对液滴内部剪应力变化无明显影响，剪应力平均值极低（< 1.5×10-4Pa）。     

双锥流量计气液两相流流量测量模型研究

气液两相流广泛存在于化工、动力、炼油、油气开采与输送等领域,其参数的传感与测量是工业系统中难以回避的一个难题。提出一种双锥结构的新型差压式流量测量方法,设计并加工了直径比分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的双锥流量计,分析了不同直径比双锥流量计对单相介质的测量特性。以空气和水为介质,开展了水平管气液两相流流量测量实验研究。通过分析准气相流量比与 Lockhart-Martinelli 常数的关系,基于分相流理论建立了适合双锥流量计的两相流流量测量模型。实验结果表明,在不同直径比下准气相流量比与 Lockhart-Martinelli常数均具有优良的线性关系,流量测量模型对气液两相流总流量测量的误差可在6%以内。