油水乳化液中分散相液滴的力学行为初探——剪切流对油水乳 …

油水分离机械中油水乳状液分散相液滴的力学行为直接影响到分离机械的分离效率。笔者通过在旋转剪切场中油水乳化液稳定特性的实验研究,对剪切对油水分离效率影响进行了初步探索。实验发现不同剪切强度对乳化液分离效率会产生正面或负面的影响。通过分散相液滴界面膜的受力及其在剪力作用下的变形分析,初步解释了剪切场和交变剪切场中乳化液分散相液滴的运动聚集规律,提出可以由其分散相液滴变形的长短径比的特定取值来判断相应的     

横向气流对空心锥形喷雾液滴群的夹带特性

空心锥形喷雾与横向气流的掺混是强化气液掺混的一种重要方式,目前对这一过程尚缺乏深入研究。为了研究横向气流对空心锥形喷雾射流液滴群的夹带特性,采用PIV可视化技术对掺混流场进行测量。结果表明:空心锥形喷雾与横流的相互作用在气流流向方向上诱导出现明显的剪切层及不稳定涡结构,对雾化液滴的扩散产生重要影响并引起液滴在剪切层区域的富集。在分析横流雷诺数、喷雾液滴雷诺数与液滴数流率对掺混流场剪切层结构影响规律的基础上,基于量纲分析和回归分析方法,建立了空心锥形喷雾与横向气流掺混流场中剪切层轨迹线的无量纲预测关联式。     

水平表面气流剪切作用下的水膜厚度

飞机结冰表面上的液态水受气流吹拂作用会发生向后溢流,从而影响结冰区域范围及防冰系统设计;为了获得水膜流动规律,对水平平板表面上气流剪切驱动的水膜流动进行了实验测量和建模分析。通过水膜流动风洞试验台产生高速气流驱动水膜的流动,使用色散共焦位移计测量同一位置的水膜在不同时刻的厚度变化,结果表明气-液界面由底层薄水膜和多种尺度的波动组成,具有变化速度快随机性强的特点。通过水膜厚度随气流速度及水膜雷诺数的变化规律,发现平均水膜厚度与两者均呈现出单调非线性的依赖关系。基于薄水膜流动理论和平均水膜厚度实验结果,提出了高速气流剪切作用下的气-液波动界面剪切因子计算式,适用于风速17.8~52.2m/s,水膜雷诺数26~128之间的平板水膜流动计算。     

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。     

超声速条件下亚毫米液滴的变形破碎模态

以超声速气流中液滴变形破碎行为为研究内容,对水平激波管中承受激波冲击的亚毫米水液滴(0.44~1.09 mm)变形破碎过程进行了观测,实验激波马赫数范围为1.07~2.11。利用纹影法,结合高分辨率高速相机对不同破碎模态下液滴的变形破碎特征进行了记录,得到了袋状、多模态、剪切和爆炸式等破碎模式下的液滴纹影图像,分析了液滴运动参数的时空关系。得出了液滴变形阶段,液滴无量纲横向变形宽度以及液滴无量纲迎风面位移随无量纲时间的变化发展规律,并且得出在液滴初始直径相同时,不同液滴破碎模式的无量纲最大横向变形宽度的变化,其中袋状、多模态、剪切破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在1.15~1.61范围内变化,爆炸式破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在0.21~0.68范围内变化。     

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。     

新型气动雾化喷嘴喷雾特性的实验研究

对一种新型气动雾化喷嘴的喷雾特性进行了实验研究。该喷嘴的喷雾是由环缝射流和中心旋转射流剪切破碎中心燃油射流而形成。实验用二维激光测速测粒仪对喷嘴下游几个截面上气流和液滴的平均速度和脉动速度,以及液滴的粒度和浓度沿径向的分布进行了测量。研究了中心旋流强度对喷雾的影响。测量结果显示喷雾中心存在低速区和固体涡核,而喷雾边缘具有较高的速度。浓度呈空心分布。喷雾具有很大的湍流脉动。      

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.     

横向热气流中单液滴剪切破碎特性研究

为了获得热气流中单液滴剪切破碎特性,采用高速摄像机对液滴变形、破碎过程进行了捕获。结果表明:液滴初始直径减小、气流温度增加,降低了液滴发生剪切破碎所需最小气动力;液滴破碎特征时间,随气动力增加呈线性递减变化趋势,且其值与变化梯度都随液滴初始直径增加而增大;液滴破碎区域面积、子液滴质量百分数随气动力增加呈先增加后减小的变化趋势,液滴初始直径增加,液滴破碎区域面积随之增加,而子液滴质量百分数则随之减小;剪切破碎锥角,随气动力增加呈线性减小的变化趋势;液滴破碎程度随液滴初始直径增加有明显改善;标准离差率数学模型可以用于子液滴群空间分布均匀性方面的研究。     

柱坐标系下准三维液滴撞击壁面的数值分析

液滴撞击壁面现象广泛存在于自然界与工程领域。为研究其运动特性,本文基于柱坐标系与VOF模型,对准三维液滴撞击固体壁面过程进行模拟。该方法实现了三维到二维的合理简化,模拟与实验结果较为吻合,铺展系数约为2.1。在此基础上,本文对单液滴撞击固体壁面过程进行了多工况模拟,模拟表明液滴在速度和直径较大情况下铺展系数较大。相反,在表面张力系数和接触角较大情况下铺展系数较小。最后,对双液滴相继撞击壁面的过程进行了模拟,发现液滴在铺展过程中出现了二次铺展现象,并探究了速度和液滴中心间距对铺展特性的影响。结果表明,双液滴在速度和液滴间距较大的情况下铺展系数较大。     

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。      

轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析

为了改善迄今轴承腔油滴运动分析未包含油滴与空气热量传递以及油滴相/空气介质均相处理中油滴含率确定方式不够准确的不足,借助单个油滴运动分析和油滴尺寸分布提出了轴承腔油滴含率及油滴相与空气能量传递分析方法。首先在考虑单个油滴与空气对流换热条件下,将油滴能量方程嵌入运动方程,并同步离散求解油滴运动方程和能量方程,实现了单个油滴运动速度和温度的联立求解,通过与试验结果对比证明考虑温度效应有助于提升油滴速度计算的准确性;然后确定了轴承腔油滴尺寸分布,并离散油滴尺寸分布范围以及轴承腔流场空间,进行油滴运动分析确定了轴承腔不同径向位置处油滴的体积和质量含率及油滴相与空气的动能和热能传递量。构建了圆盘腔油滴含率试验台,开展了油滴体积含率的试验测量,理论计算值与试验值较为吻合,验证了轴承腔油滴含率分析方法的有效性。     

齿轮传动线外啮出冲击建模与计算

基于齿轮传动线外啮出冲击原理,提出在啮合线方向上构建含系统等效误差和齿对综合变形的啮出冲击计算模型.根据齿轮变形随载荷变化的曲线推导出线外啮出冲击点的综合变形.将系统等效误差与齿对综合变形沿啮合线方向进行合成,求出线外啮出点与冲击点的位置.根据啮合点法向速度相等原理,求解线外啮出过程中被动齿轮最小转速和啮出冲击速度,进而求解出线外啮出冲击力.结果表明:线外啮出冲击力为啮入冲击力的70%~80%.即啮出冲击对齿轮传动较啮入冲击的影响要小,验证了啮出冲击和啮入冲击对"啮合合成基节误差"具有不同的作用效果.     

水滴撞击特性的数值计算方法研究

 对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数,为飞机防冰系统的设计奠定了基础;此外,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。     

液滴─固壁高速撞击问题的流体动力学分析

将液滴—固壁撞击的流体动力学过程分为两个阶段。对于第一阶段运用矢量分析和激波理论关系，建立了适用于高速撞击条件的非线性激波模型。该模型克服了传统理论的局限性，能够在宽广的速度范围内计算所有撞击参数，同时能考虑固体的可压缩性。计算结果与已有的实验值吻合良好。模型采用无量纲形式，极适用于工程实际。     

楔形体入波浪水面数值模拟

数值模拟分析楔形体入波浪水面流体力学现象和运动姿态变化历程，为水上飞机在波浪水面起降提供技术和理论支持。基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程和SST k-ω湍流模型，结合整体动网格法的速度入口造波方法、阻尼消波法和流体体积（VOF）液面捕捉技术构造数值波浪水池，耦合三/六自由度模型，实现楔形体入线性规则波和不规则波的数值模拟。在楔形体入静水面算例验证的基础上，详细研究二维楔形体在线性规则波波峰、波谷、平衡位置-上行速度和下行速度处入水过程的受力特性和运动姿态变化。结果表明：速度入口造波方法的波浪数值解与理论解析解较吻合，偏差为1%；在二维楔形体入规则波过程中，楔形体所受垂向力和垂向速度变化趋势相同，对横向位移影响较小，其数值变化少于0.01；在平衡位置入水过程中，模型的滚转角和横向速度变化明显，其数值变化约为波峰、波谷位置处的8倍和10倍。分析原因：平衡位置处波浪内流速度变化较快，模型所受波浪力冲量较大，且楔形体两侧斜边与波浪的相互作用力也参与到模型的运动中。数值模拟二维楔形体在线性不规则波5个随机时间点入水及三维楔形体在波峰、平衡位置-上行速度处入水过程，其变化规律及形成原因与入规则波相似。     

航空发动机轴承腔油气两相流流动数值研究及验证

为检验传统的单向耦合模型是否适用于轴承腔油气两相流流场计算,建立了双向耦合模型.对比分析不同转速喷油后,两种模型腔内空气速度和湍动能的分布.并将双向耦合模型计算的数据与文献中实验数据对比.结果表明:喷油后空气速度分布总体变化规律与单相空气流动相似,但各点处空气速度均明显下降,平均空气速度在转速为8000r/min时变化最快;油滴的运动与蒸发对空气速度和湍动能影响较大,尤其是腔室主流区域空气速度由于油滴的耦合作用将会下降10%~15%,所以油滴对空气场的作用不能忽略.      

基于CFD的高速切削层流模拟

 高速切削塑性变形的本质是位错的不可逆运动与增殖,切削时固体的黏滞力与位错速度成正比,材料的黏性效应在材料的动态力学行为中起到越来越重要的作用,因此从流体的角度去理解比从固体的方面去认识更符合其特点。本文描述了高速切削的位错阻尼机理,建立了基于流体力学的高速切削理论模型,利用计算机模拟技术得到了高速切削时的速度场、压力场和应变率场,为高速切削研究提供了新的思路。通过分析计算结果得出如下结论:在刀尖上方存在速度滞止点,此处速度为零,压力最大,其位置变化影响着刀具寿命和工件已加工表面的质量;从压力最大点开始,压力值沿前刀面逐渐减小直到某处为零,此点即切屑与前刀面分离点;剪切面(刀尖与自由表面拐角处连线)上应变率最大,然后由此向外依次减小。     

减速器内部金属屑运动仿真分析

为掌握因轴承磨损产生的金属屑在直升机中间减速器内部流场中的运动状态，针对其固-液-气三相流特征建立了金属 屑颗粒受力平衡方程和多相流模型-离散相模型（VOF-DPM）耦合的CFD仿真模型。基于离散相运动方程编程计算及采用CFD仿 真分析方法获得了减速器内部颗粒的运动轨迹、运动速度，并据此对比验证了VOF-DPM耦合模型的正确性；利用CFD仿真分析 了颗粒在流体中运动时各种附加力对颗粒运动轨迹的影响，探究连续相空气、滑油与离散相颗粒三者之间的相互作用机理。结果 表明：连续相和离散相耦合作用对颗粒运动的影响较小，轨迹误差约5%、速度误差约3%，可忽略不计；虚质量力、压力梯度力和 Magnus升力对颗粒运动轨迹影响较大，Saffman升力对颗粒运动轨迹影响较小，而热泳力与布朗力不适用于直升机中间减速器固- 液-气三相流情形。     

拉伸载荷下管路连接副的密封性分析

研究了航空发动机钛合金管路连接副在拉伸载荷下的密封性能.首先,建立了连接副的等效刚性模型, 分析其在拉伸载荷下的受力,研究了密封面的接触力随拉伸载荷的变化规律,从机理上分析了拉伸载荷下管路连接副的密封性.第二,建立了管路连接副在拉伸载荷下的多体弹性接触模型,并对其进行有限元分析.采用初始渗透接触法,实现连接副的预紧状态,在此基础上施加拉伸载荷,然后再进行有限元求解.同时,研究了连接副密封面的接触力、接触面积和接触应力随拉力的变化规律,从而定量地分析连接副的密封性.