高韦伯数下煤油液滴的破碎机理研究

为了探究高韦伯数下气流速度及液滴初始直径对液滴破碎以及Rayleigh-Taylor不稳定波的影响，进行了煤油单液滴在气流中破碎的实验，采用高速摄影技术记录了液滴的破碎过程，应用包含粘性和表面张力的Rayleigh-Taylor不稳定性理论分析了液滴的破碎过程，对Rayleigh-Taylor不稳定波波长与液滴破碎时间进行了理论计算，并与实验结果做了对比研究。结果表明:当We为321左右时，煤油液滴开始呈现灾型破碎模式；气流速度、液滴初始直径对液滴表面的最大增长率Rayleigh-Taylor不稳定波的波长、增长率和临界波长均有影响；Rayleigh-Taylor不稳定性理论在预测最不稳定波长时，结论与实验结果的误差不超过6%；取经验参数M为8.9时，液滴破碎时间理论与实验误差最小。     

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.     

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。     

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。     

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。     

液体环二次破碎所形成云雾区基本特性的研究

二次破碎是液体抛撒、破碎和雾化过程中一个非常重要的阶段，这个过程直接影响到雾化液滴尺寸的分布。本文介绍了可移动式无膜激波管工作原理和在这种新实验设备上进行光学测量的理论依据和实验结果。实验结果表明，液体环二次破碎产生云雾区的液滴Ｓａｕｔｅｒ平均直径在固定点随时间的增加呈减小的趋势，而云雾区的宽度和云雾区前缘的液滴颗粒的Ｓａｕｔｅｒ平均直径则随测量的距离增加都有所增加。     

液体环轴对称抛撒首次破碎后期的实验研究

液体抛撒、破碎和雾化过程中 ,首次破碎向二次破碎转化的过程是一个非常重要的阶段。笔者用纹影法对液体环轴对称抛撒首次破碎后期 ,即首次破碎向二次破碎转化的阶段进行了研究。实验结果表明 :首次破碎前期产生的液体块在空气阻力作用下 ,变形成树枝状 ,进而变细变长 ,最后在不稳定性的作用下 ,断裂成更小的液体珠串 ;无水乙醇较水破碎得更为迅速 ;在首次破碎后期中伴随有强烈的二次破碎。     

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。     

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。     

过冷大水滴变形及阻力特性的温度影响实验研究

为探索温度对过冷大水滴(SLD)变形及阻力特性的影响规律,在常温和低温环境下开展了过冷大水滴动力学特性的实验研究。研究表明:过冷大水滴在快速加速气流中运动时,水滴变形特征和阻力特性随We 数的变化规律主要分为3个阶段:波动阶段、阶跃阶段和平滑阶段,并会受到低温环境的影响;同一We 数的水滴变形率、阻力系数会呈现出随着温度的降低而降低的趋势;温度对处于波动阶段的过冷水滴影响最大,随后在阶跃和平滑阶段,温度对水滴动力学行为的影响逐渐减小。     

考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则

为了突破结冰风洞进行模型缩比试验时可能遇到的试验段尺寸和风洞模拟能力2方面的限制,本文从保证绕流流场相似、水滴运动和撞击特性相似以及结冰过程的热力学特性相似等角度出发,对影响飞机结冰过程的相似参数进行提炼,提出水滴运动及撞击过程中的水滴变形/分裂相似要求为韦伯数相似和水滴飞溅相似要求为撞击参数K相似这2个约束条件,综合已有常规结冰相似准则的研究,建立了一套考虑水滴动力学效应的结冰试验相似准则。并采用数值模拟的方法,对所提出的相似准则进行了验证,结果表明,该准则有效,可以应用于冰风洞试验,作为试验的理论指导和参数选取依据。     

剪切流场中液滴形变的三维力学模型初探

分析了油水乳化液中分散相液滴的受力及形变,从理论上提出了剪切流场中液滴形变的三维力学模型.通过实验观测了液滴在由两个同心圆筒形成的旋转剪切流场中的变形情况,并对建立的三维力学模型进行了验证.测量结果表明:实验观测值和理论值有较好的一致性.未加乳化剂时,在z方向上,随着液滴拉伸率的增加,液滴的变形收缩系数也随之增加;与未加乳化剂时相比,加入乳化剂时液滴的变形收缩系数偏离理论值更大;对于有表面活性剂的自由液滴来说,液滴破裂所需要的临界剪切率比没有表面活性剂时要低.     

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。     

LIPS-300离子推力器栅极热变形特点实验分析

为探究LIPS-300离子推力器在工作过程中栅极热变形的规律与特点，设计了大气环境下离子推力器双栅极热变形实验，以一环形加热器模拟实际工作时的等离子体热源。实验研究发现:球面栅极在加热过程中急剧变形，同时屏栅变形量大于加速栅，导致栅极间距减小；在冷却过程中，双栅迅速回复变形，栅极间距同步回复。其次,研究发现栅极中心位移在加热过程中的峰值回落现象，与在冷却过程中的负位移现象，同时发现冷却速率对负位移的大小有着不容忽视的影响。为研究上述现象的起因，对栅极组件的径向位移进行了采集，发现栅极安装环的变形是其根本原因。在结构与温度的综合影响下，栅极安装环的变形相较球面栅极更为缓慢，而其受热膨胀会拉伸球面栅极，导致球面栅极中心拱高减小，中心位移峰值回落。