基于移动粒子半隐式方法的旋流液膜破碎过程模拟

为实现旋流初始雾化中液膜破碎过程的直接数值模拟,基于GPU (Graphics processing unit)加速和移动粒子半隐式方法 (Moving particle semi-implicit method, MPS),开发了离心式喷嘴液膜破碎过程的并行加速数值模拟方法与程序,模拟了喷雾场三维形态特征和初始雾化破碎过程。模拟结果成功捕捉到了液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程。模拟得到的雾化破碎过程与实验拍摄结果基本吻合。模拟了不同射流速度下的旋流液膜破碎过程,模拟得到的液膜初始破碎长度与经验公式计算结果趋势一致,二者吻合较好,最大误差为24.2%,模拟得到的液膜半锥角与实验值较为吻合,误差为10.6%。表明开发的模拟方法与程序的准确性,为后续离心式喷嘴的液膜雾化过程及雾化特性研究打下基础。     

基于树形自适应网格的旋流液膜雾化过程仿真

为实现旋流液膜雾化过程的数值精确求解,基于Gerris采用的自适应网格技术和VOF方法,建立了一种模拟旋流液膜雾化过程的数值方法,分析了雾化破碎过程及三维雾场特征。研究结果表明:Gerris能够逼真地展示旋流液膜破碎成液丝、液丝进一步破碎成液滴全过程的细节特征,雾化破碎过程图像与实验拍摄的基本吻合;通过统计分析计算的带旋转速度的直射流雾化过程全场液滴粒径空间分布,与文献中实验测量值也吻合较好,分布曲线峰值对应的液滴直径的差值为1.8μm,相对误差为13.8%,表明建立的计算方法具有较高的准确性。另外,通过对旋流液膜破碎过程的精细仿真,对其有了更清楚的认识,液膜雾化过程中存在二次雾化现象,液丝在运动过程中受到气体力和表面张力的作用,开始断裂形成大液滴或液团,随着进一步运动收缩破碎成小液滴,液滴形状渐渐由不规则的柱形变成类球形。带旋转速度的直射流和空心旋流式锥形液膜的液滴空间分布存在不同,前者液滴在锥形区域内都有分布,而后者液滴只分布在锥形液膜两侧的环形区域。     

不同液压条件下锥形液膜破碎的实验研究

应用PIV激光粒子图像测速仪对由离心式压力雾化喷嘴喷出的锥形液膜的破碎进行了实验研究。澜得了不同压力下的扰动波波长、波速和振幅。研究结果表明，液膜半锥角随着液压的增加而增加，半波长的液膜段剥落后几乎立即破碎成液滴，看不到明显的液膜段收缩成液丝的过程。由实验拍摄的图像看，长、短扰动波同时存在，共同影响液膜的破碎。这些数据可用于发展锥形液膜初始雾化模型。     

针栓式喷注器无旋锥形液膜线性不稳定分析

将离心式喷嘴锥形液膜破碎模型应用于针栓式喷注器,对无旋锥形液膜进行了线性不稳定分析。求解色散方程获得了色散关系曲线,分析了无旋锥形液膜表面波发展过程。研究了喷注压降、喷注通道长宽比、液膜半锥角以及正弦模式扰动波加权因子等参数对无旋锥形液膜无量纲破碎时间和破碎长度的影响。结果表明:正弦模式扰动波比曲张模式扰动波增长更快,并且更不稳定。正弦模式扰动波在无旋锥形液膜破碎过程中占优,并且喷注压降越大,液膜破碎的越快。喷注通道长宽比的增加会使得无量纲破碎时间和破碎长度近似线性增大。针栓式喷注器设计时,为利于液膜破碎,喷注通道长宽比应取小值,而液膜半锥角应取大值。     

无旋锥形液膜表面波不稳定性试验研究

为了研究针栓式喷注器无旋锥形液膜表面波不稳定特性,采用高速摄影获得了不同压降下表面波波动图像,测量了液膜表面波破碎点波长、振幅以及破碎长度等特征信息。利用试验结果修正了无旋锥形液膜色散方程中的参数C和ln(η_bη_0),并求解了色散方程。研究了喷注压降对液膜破碎长度、破碎时间以及破碎点波长的影响。结果表明:随着喷注压降的增加,液膜破碎长度和破碎时间均降低,并且降低趋势越来越缓,液膜表面波发展的非线性增强,理论值与试验值的偏差由3.9%增大到29.2%;液膜破碎位置处扰动波长随喷注压降的增加而降低,并且试验值比理论值偏大50%左右,无旋锥形液膜破碎模型可定性分析针栓式喷注器液膜表面波不稳定性。     

离心式喷嘴液膜破碎过程实验

为了研究离心式喷嘴出口液膜破碎以及雾化锥角变化规律,对直径2.5~6 mm之间6个不同直径、不同几何特性参数的离心式喷嘴运用高速阴影设备进行实验,喷注压降从0.1~3 MPa,每次实验间隔0.2 MPa。通过实验,得到液膜破碎长度、液膜锥角随喷注压降、喷孔直径以及几何特性参数的变化规律。随着喷注压降的增加,液膜破碎长度减小,液膜锥角增大,该种类型喷嘴破碎长度在40 mm左右,液膜锥角不大于60°;随着几何特性参数A值增加,同一喷注压降下的液膜破碎长度增大,液膜锥角增加;将液膜锥角实验结果与Abromvich,Lefebvre等理论公式进行了比较,在常用的喷嘴特性参数范围内,液膜锥角的变化趋势与理论公式相吻合,但实验值远小于公式计算值。     

横流作用下气液两相环状流射流液膜的雾化特性实验研究

为了更好地认识横向气流对气液两相环状流射流雾化过程的影响,本文采用高速摄像等技术,针对气液两相环状流射流液膜在横向气流中的破碎与雾化特性开展了实验研究。研究发现,气液两相环状流射流在横流作用下能够实现稳定的雾化,射流液膜的破碎与雾化具有周期性和不连续性特征;查清了雾化过程中射流液膜存在三种不同的破碎模式：爆式破碎、分段式破碎和环膜破碎,并对每种破碎模式下的液膜破碎特征进行了研究;结合实验结果统计分析,获得了射流液膜不同破碎模式的动力学条件和变化规律;同时对环状流射流液膜不同破碎阶段的雾化液滴的粒径分布进行了统计分析,发现三种破碎模式下,液膜的爆式破碎产生的雾化液滴粒径更小,雾化效果较好,同时提高环状流表观气速和横流速度也能够促进射流液膜的雾化。     

双层旋转锥形液膜一次破碎特性数值研究

为了全面加深对锥形液膜一次破碎机理的认识,对双层锥形液膜的雾化过程进行了数值模拟,重点研究了压降和同轴旋转空气对双层液膜宏观形态、液膜破碎模式、液膜破碎长度和喷雾锥角等液膜一次破碎特性的影响。数值计算的喷雾场宏观形态与试验结果接近,喷雾锥角和索特尔平均直径的计算最大误差分别为4.9%、7.4%。研究表明：同轴旋转空气参与雾化会改变喷雾场的整体形态;增大压降和空气速度会改变液膜的破碎模式和主导表面波模式;双层液膜的合并会在液膜表面产生剧烈的表面波动,同时会略微增大液膜的喷雾锥角;液膜的破碎长度会随着压降和同轴旋转空气轴向速度的增大而减小。该研究有助于进一步研究双层液膜一次破碎的机理,从而指导对双路离心式喷嘴的雾化认识。     

锥形液膜Kevin-Helmholtz波不稳定性的实验研究

采用PIV激光粒子测速仪获得了不同喷嘴液压差下锥形液膜子午截面的波动破碎图像.测得不同液压差下离心喷嘴锥形液膜的各项特性参数, 如液膜半锥角、液膜破碎前长度等.研究了半锥角和液膜破碎前长度随液压差的变化规律.根据试验结果, 总结出了计算C参数的经验公式, 并利用此关系式求解色散方程, 得到不同液压差下的液膜破碎点扰动波波长.预测值和实验结果进行了对比, 对比发现:理论预测值的变化趋势同实验结果完全一致.      

针栓式喷注器锥形液膜破碎特性试验

采用高速摄影获得了针栓式喷注器在不同喷注压降和结构参数下的表面波破碎图像,测量了锥形液膜的破碎长度和破碎时间,研究了变工况时液膜破碎长度和破碎时间的变化规律.试验结果表明:在喷注压降不变的条件下,针栓式喷注器能够实现流量的线性调节.针栓式喷注器设计时,在合理的推进剂动量比范围内,狭缝宽度应尽量取小.液膜在低工况时破碎得更快.液膜破碎长度和破碎时间均随喷注压降的增加而减小.      

厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验

为了解补燃循环液氧煤油发动机预燃室煤油离心喷嘴的自激振荡特性,在大气环境下开展了厚液膜敞口型离心喷嘴自激振荡特性试验研究。无外加激励条件下,使用水作为工作介质,通过增加喷嘴长度的方法实现了敞口型离心喷嘴旋流腔液膜增厚和内流过程持续自激振荡。采用脉动压力传感器和高速相机记录了喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化的振荡特性。研究发现：喷嘴自激振荡过程中,旋流腔气涡周期性地"间断"和"贯通",气涡"间断"时喷注过程具有显著的Klystron效应;喷前压力、旋流腔气涡和喷注雾化过程的振荡频率接近且不同喷注压降条件下振荡频率基本保持在10~45 Hz之间,喷注压降对振荡过程的影响较小,喷前压力相对振荡峰值与其振荡频率显著相关;喷嘴的自激振荡过程可能由旋流腔内的液膜流动过程和气涡流动过程的耦合作用主导。     

剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎直接数值模拟

液态射流撞击是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其破碎特征直接影响燃料最终的掺混及燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,研究了低雷诺数（Re_l=41）和中等韦伯数（We_l=163）条件下剪切稀化非牛顿射流撞击液膜破碎的问题,着重分析了对角液膜的三维结构、破碎特征和非牛顿特性等。研究结果表明：在所研究的射流参数下,该非牛顿撞击液膜破碎属于Open Rim类别,破碎过程具有三维特性并伴随液丝与边缘的融合、液丝向液滴的转变等时域流动特征。液体的总表面积随时间不断增长,但单位表面积随液膜破碎的发生而下降,液膜扩张半角随时间逐渐增加并趋于恒定值43°,而后部液膜的长度几乎不随时间发生变化。此外,撞击液膜表现出明显的剪切稀化特性,液体内部最低黏性系数仅为零剪切黏性系数的1/5。     

离心甩油盘径向喷雾破碎机理实验研究

本文发展了离心甩油盘高速旋转雾化的光学测试实验台,采用高速数字成像、高速阴影成像等可视化方法研究了在不同转速（8～20kr/min）和燃油流量（4～15g/s）下航空煤油的喷雾形态及燃油破碎过程,分析了喷雾特性变化规律,并采用激光粒度分析仪测量了不同工况下的燃油雾化粒径及其分布规律。实验结果表明,甩油盘雾化过程中,科氏力推动液膜聚积在与甩油盘旋转方向相反的喷口一侧,且甩油盘喷孔出口处的液体呈薄片状。随着燃油的进一步破碎雾化,实验中观察到三种不同的破碎形态：韧带破碎、袋状破碎和剪切破碎,跟转速和燃油流量有关,研究基于气动韦伯数和液气动量比给出了破碎模式图。研究表明甩油盘转速是影响雾化特性的主要因素,甩油盘转速越高,燃油粒径越小;离散度在气动韦伯数和液气动量比的综合作用下呈现不同的变化趋势。     

基于Gerris的离心式喷嘴锥形液膜破碎过程数值模拟

为了实现离心式喷嘴锥形液膜破碎过程的精细可视化和雾化特性的准确计算,基于自适应网格加密技术和VOF方法,建立了一种数值方法,可以捕捉到包含一次雾化和二次雾化的喷雾场结构特征,获得了全场液滴的空间分布和粒径分布,液滴捕捉效果逼真。针对给定结构尺寸的敞口型离心式喷嘴,计算了在不同流量和不同切向孔直径下的液膜锥角、液滴平均粒径SMD的变化,并与高速摄影拍摄的锥形液膜破碎过程图像和PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)测量的液滴SMD对比。结果表明,数值模拟与实验所获得的喷雾场吻合,获得的液膜锥角和液滴平均粒径最大相对误差分别为4.18%和11.82%,结果吻合较好,验证了数值方法的准确性,为离心式喷嘴的精细研究和设计应用提供一种新手段。研究表明,切向孔直径对液膜锥角和液滴平均粒径的影响较显著,在设计加工时,是一个比较重要的结构参数。     

平板式预膜喷嘴初次雾化特性试验

为深入了解平板式预膜喷嘴初次雾化特性,试验研究不同进口条件对平板式预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律。试验采用了背光照明和片状激光照明相结合的高频拍摄手段分别获得液膜俯视和侧视破碎形态,同时运用本征正交分解(POD)法和液膜边缘定位等分析方法进行光学图像结果后处理,获得表征平板式预膜喷嘴初次雾化特性三个物理量:液膜波动频率、破碎距离和横向不稳定波长。试验结果表明:①通过分析侧视和俯视破碎形态,平板式预膜喷嘴液膜破碎形态可分为三类:末端破碎、波浪脱落和表面剥离,进口韦伯数对预膜喷嘴破碎形态的影响占主导地位;②把POD法和液膜边缘定位方法等相结合方法应用到高频非接触光学喷嘴雾化图像的后处理分析中,是一种非常有效的数据后处理方法;③液膜初次雾化特性主要受到进口韦伯数和气液动量比的影响,破碎距离和横向不稳定波长都随进口韦伯数的增加而降低,液膜表面不稳定波动频率随进口韦伯数的增加而增加,所获得的经验关系式与试验数据吻合较好。所获得的进口参数对液膜破碎形态和雾化特性的影响规律为喷嘴后续优化设计提供了依据。     

切向孔单/双排布局对离心式喷嘴锥形液膜雾化特性影响

为了研究切向孔单/双排布局对离心式喷嘴雾化性能的影响,采用高速摄影仪对两种结构喷嘴形成的锥形液膜进行了拍摄分析,测量了不同压降下液膜的破碎长度、喷雾锥角、出口轴向速度以及表面波破碎点波长等雾化性能参数,并使用这些性能参数作为初始条件,求解了锥形液膜色散方程。结果表明:双排切向孔布局使得液膜雾化性能变差,体现为相同压降下喷雾锥角减小1°~2°,破碎长度增大,增大幅度最大达8.2%;色散方程求得的破碎点波长理论值与试验值吻合较好,验证了所用液膜破碎模型的有效性;单排切向孔喷嘴形成液膜的主导扰动波增长率大于双排切向孔喷嘴的主导波增长率,从直观上解释了单排切向孔喷嘴破碎长度小于双排切向孔喷嘴的原因。     

节流水平对气液针栓喷注单元雾化特性的影响

为了分析气液针栓喷注单元雾化特性和雾化机制，采用背光成像技术和相位多普勒（PDA）系统进行试验研究，获得了雾化模式、体积流量分布、索泰尔平均直径（SMD）分布和速度场随节流水平的变化规律。结果表明：气液针栓喷注单元雾场形态为扇形雾场，雾化模式为剪切破碎。体积流量沿径向呈单峰形分布，随着节流水平降低，雾场外缘向中心收缩。SMD沿径向呈现递增规律，雾化最好的区域分布在雾场中心和两侧。SMD随节流水平增加而增大。当动量比不变时，节流水平对SMD的分布范围影响很小。针栓头部下方的中心回流区轴向尺寸随着节流水平降低而减小。     

气/液同轴离心式喷嘴流量及雾化特性实验

通过实验方法，研究气／液同轴离心式喷嘴的流量特性及气液之间的相互影响，研究压降及缩进长度对喷嘴雾化特征的影响。研究表明，液喷嘴流量受气喷嘴压降影响，流量增大或减小取决于缩进室内气喷嘴对液喷嘴产生的是引射还是堵塞作用；同一喷嘴，液膜破碎长度及液滴尺寸随压降增大而减小；液滴尺寸分布沿喷嘴横截面呈马鞍型分布，曲线的最高点和分布宽度随喷嘴几何特性及压降变化；提高气／液之间的相对运动速度，可提高雾化质量；随着缩进长度增大，雾化质量明显变好。     

相邻离心式喷嘴液膜撞击雾化过程仿真

基于Gerris软件建立的锥形液膜雾化破碎过程数值仿真方法,对相邻多个离心式喷嘴液膜撞击雾化过程进行了数值仿真,可视化展示了喷雾场三维形态和结构特征,并做了流场分析,讨论了喷嘴之间的相互干扰作用,获得了液滴空间分布,对相邻不同数目的喷嘴雾化效果进行了比较。结果表明:双喷嘴液膜撞击会形成一个类似互击式射流撞击形成的扇形区域,但又与其不同;锥形液膜的撞击效果主要依赖径向速度而不是切向速度,液滴平均粒径与撞击液膜间的旋向几乎无关。多喷嘴液膜撞击会使得液滴空间分布发生大的变化,液膜破碎长度会缩短。多喷嘴液膜撞击后的雾化特性是否改善与单喷嘴原先的雾化特性以及喷嘴间的距离密切相关。对于文中特定的喷嘴结构、喷嘴间距及排列方式,双喷嘴的液滴SMD均比单喷嘴的增大约4.8%~6.1%;四喷嘴的液滴SMD比单喷嘴的增大约7.3%,比双喷嘴的增大约2.4%。     

基于VOF方法分析离心式喷嘴结构参数对性能影响

基于两相界面追踪流体体积(volume of fluid,简称VOF)方法模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,在数值方法可靠性验证基础上,得到了15个喷嘴构型的流量系数、液膜厚度以及雾化锥角.定义无量纲影响因子η,比较喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响程度.除了喷嘴直径和旋流室直径外,重点研究了出口扩张角、等直段长径比等结构参数的影响,通过与试验相对比,综合以往经验公式,得到如下结论:增大旋流室长度,能够增大雾化锥角;在喷嘴出口增加扩张角,能够显著地减小液膜厚度,减小雾化锥角;增大切向口距喷嘴顶部距离,能够改善喷嘴性能;切向口个数和等直段长度对喷嘴性能影响不大.该工作为下一步优化喷嘴构型打下了基础.