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.     

剪切流场中W/O乳状液分散相液滴破裂的临界条件

探讨剪切流场中牛顿型W/O乳状液的分散相液滴破裂机理及临界破裂条件,总结了Taylor小变形理论、De Bruijn理论和临界乳化理论3种确定临界破裂半径的方法,并尝试用其预测旋流场的液滴破碎情况,为油水分离设备内流场合理的剪切分布提供理论依据.采用Couette双圆筒装置形成薄层剪切流场,研究白油包水型和硅油包水型乳状液滴的破裂形态和临界破裂半径.实验结果表明:不同粘性比的实验介质,其分散相液滴的破裂形态和临界破裂理论的适用性不同,在实际应用时应根据流场特点和乳状液的物性特点具体分析.依据某型旋流器的流场数值模拟结果,剪切流场中的临界破裂理论可用于初步预测旋流场中给定粒径分布的乳状液能否被有效分离,但还需进一步的现场测试和分析,引入与流场的湍动强度相关的修正系数.     

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理.工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验.实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况.所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述.     

油水乳化液中分散相液滴的力学行为初探——剪切流对油水乳状液分散相液滴集聚的影响

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剪切强度对其沉降分离特性的影响。     

界面活性剂溶液内部结构和流变特性模拟

对在稳态剪切流下的一种稀疏界面活性剂溶液进行了布朗动力学数值模拟.棒状的界面活性剂胶束粒子被假定为由圆球线性连接而构成的刚性棒.本文引进了一种新的势作用模型来描述胶束粒子间的相互作用,利用Lennard-Jones势函数来描述棒端部球之间的相互作用,而采用软球势函数来描述棒内部球之间的相互作用.在低剪切率条件下,胶束粒子在端部相互连接而形成网状结构.随着剪切增大,网状构造遭到破坏,胶束粒子趋向与剪切流方向平行.这种溶液微结构随剪切率变化关系导致了溶液剪切粘度和第一正应力差系数的剪切稀化现象.此外,还考察了溶液浓度对剪切粘度和第一正应力差系数的影响.结果表明,剪切粘度和第一正应力差系数均随溶液粘度的增加而增加.     

非离子表面活性剂在水流中的减阻机理

为探讨非离子表面活性剂的减阻机理,在实验确认表面活性剂APG水溶液(Alkyl Polyglucoside)具有湍流减阻功效的基础上,对其剪切粘度、应力松弛特性以及剪切双折射效应,使用锥板流变仪及流动双折射测试仪进行了实验研究.最大减阻率可达70%的APG水溶液,其剪切粘度在低剪切速率区域表现为牛顿流体特性,在大于临界剪切速率区域表现为“SIS”(Shear-Induced Structure),呈现非牛顿流体特性;APG水溶液的剪切应力松弛特性与纯水基本相似,表明“SIS”并不具有粘弹性特性.由剪切双折射效应证实的的棒状胶束聚合结构和具有的较大拉伸粘度可认为是APG水溶液能够实现湍流减阻的主要原因.     

冲击作用下液滴在环境液体中的变形破碎行为

采用基于液-液体系的坠落实验装置对冲击作用下单个液滴在环境液体中的变形破碎行为进行了实验研究。针对高速摄影捕捉到的5种液滴典型变形破碎模式进行了定量化考察和规律性分析。结果表明，液滴初始直径、液滴与环境液体的密度比和粘度比、界面张力系数以及坠落高度等实验参数相互组合可以得到相似的实验结果，其中We数是区分液滴变形破碎模式的关键参数。进一步研究液滴变形破碎模式与无量纲参数的依赖关系发现，在1 < We < 700、0.001 < Oh < 0.005的实验条件范围内，液滴变形破碎模式与Oh数无明显依赖关系，而在We数相近情况下，液滴变形破碎模式呈现明显的相似性。     

NACA0012翼型低雷诺数绕流的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和 PIV 测速实验研究了 NACA0012翼型在雷诺数为8200时的流动特性,重点关注了翼型绕流结构随迎角的变化。研究发现:分离点和分离剪切层形成旋涡的位置随迎角的增大而向上游移动,同时翼型上表面流动分离后形成的回流区尺寸随着翼型迎角的增加而增大。当流动再附于翼型上表面时,在再附点附近能够观测到展向涡的三维演化过程,并能观测到展向涡的局部配对现象。     

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.     

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）。     

基于对数应变的大变形简单剪切问题应力响应

建立了由对数应变描述的弹性大变形本构关系,利用该本构关系分析了弹性大变形简单剪切问题.对应张量的五种客观率,分别给出了基于变形率和对数应变的简单剪切问题应力响应.结果表明:Jaumann率对应的应力响应具有最显著的振荡现象;对应各种客观率,正应力均能保持较好的单调性,剪应力则存在不同程度的振荡趋势;张量的客观率不是导致...     

水滴变形及其对阻力特性影响的实验研究

为了探索飞机结冰研究中水滴撞击过程的变形行为发生机理和本质特征，提高结冰数值模拟的精准度，利用高速相机对水滴加速运动过程的变形现象进行了实验研究。通过研究，定义了水滴变形过程的4个典型形态，分析了水滴变形与各无量纲量的关系，拟合了水滴变形后的阻力系数曲线和计算式。研究表明:水滴在气动力作用下会发生显著的变形现象，依次历经圆球形、椭球形、半球形、圆盘形4种典型形状；水滴的纵横比随韦伯数(We)的增大呈线性减小，随邦德数(Bo)的增大呈双曲线减小；水滴变形会导致其阻力系数增大，在Re=500左右时，水滴阻力系数曲线开始脱离球形阻力系数曲线，逐渐增大至接近圆盘形阻力系数曲线，这与其变形过程一致。     

基于MEMS传感器的高速风洞壁面剪切应力直接测量技术

提出了一种新的壁面剪切应力测量方法,使用锯齿状排布的MEMS传感器作为敏感元件,在高速风洞中对研制的剪切应力测量设备进行了原理验证实验.实验结果显示湍流中的局部壁面剪切应力大小是层流中的两倍以上,监测局部剪切应力可以作为一种有效的边界层转捩的实验判定方法.利用这一方法测得的转捩区与使用脉动压力测试技术测得结果一致,验证了通过MEMS元件监测局部剪切应力作为边界层转捩测量手段的可行性和可靠性.     

飞翼无人机低速着陆状态抖振响应研究

基于RANS方程和SST湍流模型,采用飞翼无人机升力系数判据、俯仰力矩判据和表面极限流判据等对抖振始发迎角度进行了预测估计。基于较为详细的结构模型和气动模型,构造了结构与气动的耦合求解技术,同时采用弹簧近似光滑和局部重构组合方法对气动的动网格技术进行更新;然后分别在时频域内分析了飞翼无人机的抖振载荷响应。研究结果表明:基于CFD的RANS方程、SST湍流模型及各类判据预计刚性飞翼无人机在低速大迎角状态下的抖振始发迎角可以得到较为合理的结果;采用升力系数判据、俯仰力矩系数判据预测的抖振始发迎角与表面极限流判据预测的始发迎角相比要保守一些;而表面极限流判据方法能给出翼面气流流动的细节,采用此判据可以分析对比不同迎角下的翼面气流流动变化情况;与气动弹性及嗡鸣响应相比,抖振是一种强迫振动,其响应频率并不单一。     

考虑剪切变形时轴向载荷联合作用下压杆屈曲

在考虑剪切变形对压杆弹性屈曲影响的基础上,采用摄动法研究了压杆在轴向压力和轴向均布、载荷联合作用下的弹性屈曲问题,推导出了压杆弹性屈曲模态函数和屈曲载荷的特征方程,并讨论分析了剪切变形、轴向压力、轴向均布载荷对压杆屈曲的影响。算例分析表明,摄动法计算的结果与Bessel函数法计算的结果相差较小,剪切变形对压杆在轴向压力和轴向均布载荷联合作用下发生弹性屈曲影响不大。