液体圆柱射流在气流中的破碎特性实验研究

本文采用高速相机对低速横向气流作用下的圆柱射流表面波发展及液柱断裂和破碎进行观察研究。实验喷嘴为直射式，孔径为1mm，长径比为20。工质采用水和空气；工况为:温度293K，液体射流速度为2~20m/s，雷诺数为2400~22400，横向气流速度为10~40m/s，气流韦伯数为1.6~25.6，液气动量比为5~127。高速相机帧幅为2000，曝光时间为16s。通过实验观察到横向气流气体韦伯数的变化导致射流破碎形式呈现不同形式变化，液体射流的无量纲表面波波长与气流韦伯数的-0.31幂指数方成正比；主液柱断裂点沿横向气流方向的距离随着液气动量比的增大而减小，而沿初始射流方向的距离随液气动量比的增大而增大；断裂后产生的液滴在沿横向气流方向的速度分量为横向气流速度的0.1倍左右，而沿初始液体射流方向的速度分量先呈现出与液气动量比线性增长关系，直到其变为射流初始速度的0.8倍左右并保持在这一水平。在上述研究基础上，本文拟合了低速射流表面波的波长与气流韦伯数间关系式以及射流破碎位置、射流轨迹及液柱断裂产生液滴的速度与射流初始条件间的数学关系。     

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.     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力波和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波后的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温、高压和高速气流中的变形、剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。据此进行的计算进一步揭示了气云爆轰的松弛结构。爆速的计算值与实验值基本相符。     

激波驱动液体轴对称抛撒的实验研究

设计了利用垂直激波管实现液体轴对称抛撒的实验装置，通过高速摄影技术获得不同驱动压力下气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的时间序列。实验结果表明，马赫数的增大导致初始扰动波的波长减小和扰动波数的增加，且尖钉发生破碎并与气流混合的程度更为剧烈。实验液体发生首次破碎的位置基本不随驱动压力的升高而改变。液体前锋的加速度曲线呈现出前期基本不变，后期迅速增大的趋势。     

初始扰动对于气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性发展的影响

利用果冻实验技术研究几种不同初始扰动的气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性发展过程.通过对不同波长和振幅的实验结果进行对比发现:波长是影响界面扰动发展的主要因素,并且在不同阶段影响的模式不同.在线性阶段,波长较短的扰动发展较快;在非线性阶段,则是波长较长的扰动发展较快.     

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。     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术，研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程，获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小，不会对液滴的铺展过程产生明显影响；在较低的撞击速度下，柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素，且随着柔性材料弹性模量的减小而增大，因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小；当撞击速度增大后，粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低，液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高，柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

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。     

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.     

高速列车隧道通过中的气动效应动模型实验研究

高速列车进入隧道时，会产生压缩波，压缩波沿隧道内传播至隧道端口后形成向外辐射的微气压波。本文介绍了采用动模型实验平台在200~350km/h速度范围内对60m双向隧道模型的隧道壁面压力波和出口微气压波开展的实验研究。首先分析了实验数据的有效性；其次给出了初始压缩波最大值随时间的衰减变化规律和微气压幅值随实验速度的变化特性；最后研究了流线形头型长度对微气压波幅值的影响。实验结果表明:在实验速度范围内，隧道压力波和出口微气压波无量纲值保持一致，但隧道出口微气压波与流线型头型长度只能定性描述，定量关系难以确定。     

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.     

液滴高速撞击低温壁面的动态特性及破碎机理研究

为研究液滴撞击低温壁面的动态行为,运用高速阴影法对韦伯数（We）在533～1630之间的单液滴撞击常温壁面（22 ℃）与低温壁面（?30～?10 ℃）进行可视化试验。试验结果表明:液滴以一定速度撞击低温壁面时,会发生即时破碎和冠状破碎,二次液滴飞溅明显;但液滴以相同速度撞击常温壁面时,未出现液滴破碎现象。随着壁面温度的降低,液滴撞壁破碎所需韦伯数减小。在壁面温度为?30 ℃时,液滴撞击铝合金板的破碎临界韦伯数降低至480左右;当We < 480时,即使壁面温度低于?30 ℃,液滴也不会发生撞壁破碎。当液滴撞击常温壁面时,液滴快速铺展,并且韦伯数越大,液滴铺展和回缩的速度越大,液滴的铺展因子越大。该研究可为液滴撞击低温壁面撞壁模型的建立提供参考。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性，设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法，并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验，测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像，对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析，获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息，可为分析气化产物运动特性提供数据支持；测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符，证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。     

航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心(CARDC )开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。     

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。