非牛顿流体射流雾化特性研究进展

本文总结了有关非牛顿流体射流雾化特性的研究进展。首先,阐述了预测非牛顿液体射流初次雾化失稳特性的理论方法,介绍了有关非牛顿流体射流初次雾化的实验现象和特性参数。当射流初次雾化的过程结束后,破碎产生的液滴会在高速气流中发生二次雾化。随后,总结了国内外有关非牛顿流体液滴二次雾化实验研究的相关进展。分析了液滴二次雾化的实验现象,总结了不同种类液滴二次雾化过程中所研究特性参数,如破碎模态、临界韦伯数和初始变形时间等随来流气体参数之间的关系,并介绍了基于液滴二次雾化物理过程所建立的预测喷雾场液滴平均粒径的雾化模型。最后,基于目前的研究现状,给出了非牛顿液体射流初次雾化和二次雾化实验研究的后续重点研究方向及建议。     

液滴二次雾化的直接数值模拟(英文)

液滴破碎现象是喷雾燃烧室中常见而且重要的现象。对液滴在气流中的变形和破碎的过程和规律进行了数值模拟。对液滴和气流采用了二维非稳态轴对称Navier-Stokes控制方程,SIMPLER方法进行流场求解,结合Level Set方法追踪气液界面。计算得到了四种典型的破碎模式:振荡,袋状破碎,薄片剥离破碎和剪切破碎。研究了四个无量纲数对雾化结果的影响,分别是韦伯数(Weg)、液体雷诺数(Rel)、气体雷诺数(Reg)和密度比(γ)。结果发现韦伯数是最重要的控制液滴雾化的参数,液体雷诺数和气体雷诺数次之。计算参数范围将密度比扩展到1000,发现了被研究者称为"多模式破碎"的破碎模式,这种破碎模态包含"剪切"和"刺穿"相继发生的两种破碎,计算结果与实验现象定性相一致。     

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

超声速气流中液体燃料雾化数值模拟

为了模拟超声速气流中液体射流的雾化,发展了一种液滴破碎混合模型。该模型将Kelvin-Helmhotz(K-H)模型和Rayleigh-Taylor(R-T)波动模型耦合在一起,首先计算R-T波增长模型,当R-T模型不能导致液滴破碎时,然后计算K-H波增长模型。利用该模型对来流Ma=1.94的超声速气流中的水射流的雾化进行了数值模拟。模拟结果再现了超声速气流中射流的雾化结构,计算得到的射流穿透深度、颗粒直径分布和速度分布与实验结果吻合较好。     

横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象

采用高速摄像仪对横向气流场中的圆形液体射流的圆柱破碎过程(低Weber数)进行了实验研究.实验采用直射式喷嘴,喷孔直径为0.3mm和0.5mm,喷嘴长径比均为40.实验工质采用水.Weber数为1.7~7,液/气动量通量比为3.4~83.实验观察了表面波现象及射流破碎形成的液滴的尺寸及其速度.观测发现,表面波波长随着气流Weber数的对数的增加而线性减小.破碎后形成的液滴直径 d_p/d₀与Weber数的对数成正比.液滴的初始x方向速度与y方向速度大小与液滴直径无关.在实验范围内,液滴y方向速度均不随Weber数和液/气动量通量比的变化,约为初始射流速度的0.94倍;而液滴x方向速度约为0.085倍的气流速度.对表面波和破碎后形成的液滴尺寸及速度的研究有助于构建更精确的初始雾化模型.      

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.     

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。     

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。     

通讯中断喷液减轻机理探讨

本文以水、四氯化碳和氟里昂等液体为例,对通讯中断的喷液减轻技术进行了探讨。用一个一维流动的模型导出了电子密度的简化表达式,并且分析了电子密度和注入液流量、气流速度、液滴半径及雾化区尺寸等参数的关系,作出了它们之间的关系曲线。     

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。     

超声速气流中液滴破碎的大涡模拟

为了研究超声速气流中的液滴破碎过程,采用基于CLSVOF界面追踪方法的大涡模拟方法。该方法中用可压流和不可压流求解器分别计算超声速气流流场和液体流场,并且在分别计算气相或液相时,另一相作为该相计算时的边界条件参与计算,从而实现可压流求解器和不可压求解的融合。通过去散度化液体速度外推解决界面处大液气密度比所带来的动量误差大的问题。利用该方法对来流Ma=1.358的超声速气流中的水滴破碎进行了数值模拟。模拟结果展示了超声速气流中液滴破碎的几何结构变化细节和基本破碎形态,且与实验吻合较好。数值模拟结果揭示了Rayleigh-Taylor不稳定和气动剪切力对液滴破碎的作用过程。破碎过程中,液滴在垂直来流方向上的最大无量纲宽度(Dmax/D0)约为4.5,无量纲破碎时间(tbU∞/D0)约为29.85。     

液体环二次破碎所形成云雾区基本特性的研究

二次破碎是液体抛散,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。     

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

高压下液体射流破碎雾化特性实验研究

为深入了解高压环境中液体射流破碎雾化过程,相对准确描述射流形态,进行了一些实验研究。利用一种高速液体喷射装置,采用脉冲Ｘ 射线成像技术,研究了多种喷嘴在不同环境反压中所形成液体射流的扩展结构。虽然Ｘ 光成像方法很难对雾化液滴进行分析,但它可以显示射流内部结构、分析未破碎部分的形态。实验表明,随着环境反压的升高,圆柱形射流的破碎点向喷口移动;环形射流离开喷口后发生聚合,聚合点随反压升高而前移     

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82We691,9.6×10-4Oh3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。     

移动粒子半隐式方法GPU加速的双股射流撞击雾化模拟

为实现双股射流撞击雾化过程的高效数值求解并探究射流速度和撞击角度对雾化特性的影响规律，实现了移动粒子半隐式方法（MPS）GPU加速的双股射流撞击雾化模拟。GPU加速程序的最大加速比为16，取得了较好的加速效果。将GPU加速MPS方法应用于典型工况下的双股射流撞击雾化模拟，成功捕捉到了多尺度的液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程，模拟得到的液膜破碎长度及雾化角度与试验较为吻合，误差分别为11.7%和0.5%，验证了GPU加速MPS方法在双股射流撞击雾化问题中处理能力。参数化分析了射流速度和撞击角度对液膜破碎长度、雾化角度及一次雾化液滴索尔直径的影响。结果表明撞击角度增加或者射流速度增加均会导致液膜破碎长度减小、雾化角度增加、一次雾化液滴索尔直径减小。     

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。     

横向射流中煤油雾化特性的数值研究

为了研究燃油射流雾化过程中的破碎形态及发展轨迹,实现燃油雾化过程的精确数值仿真,本文对直射式喷嘴喷入横向气流中的雾化特性进行数值模拟。计算采用耦合的多相流模型VOF和离散相模型DPM,研究煤油的一次雾化中射流破碎形态及发展过程,二次雾化过程中油滴的索泰尔平均直径（SMD）空间分布特性。应用动态网格自适应技术,精确捕捉到液体结构和射流表面的波动。数值计算结果表明,射流破碎过程中主要发生的是液柱破碎和表面剪切破碎;韦伯数对破碎模态的影响较大,液-气动量比对射流轨迹影响较大;在不同气动进口条件下,燃油射流轨迹以及液滴空间分布特性与经典经验关系式以及试验数据具有较好的一致性。     

两种雾化模型在横向流雾化数值模拟中的应用

通过对横向气流中燃料雾化的数值模拟,分析了两种常用的雾化模型TAB(Taylor analogy breakup)模型和Reitz波不稳定性模型中的经验参数变化对模拟结果的影响,为合理使用这两种雾化模型提供了参考.对雾化过程的模拟结果与实验结果的对比分析发现:虽然TAB和Reitz波模型都能对穿透深度进行很好的预估,但从液滴分布、SMD(Sauter mean diameter)和液滴速度等具体参数的计算结果来看,TAB模型的计算结果优于Reitz波模型,更适用于相关计算,并给出了适当的TAB模型的经验参数取值.最后,用TAB模型在相同经验参数下对不同燃料喷射速度的工况进行了计算,得到了满意的结果.这种先用实验数据校准经验参数,然后用校准后的经验参数计算相关未知结果工况的方法可以应用在今后的预估计算和研究中.      

基于PIV的凝胶模拟液撞击雾化速度场实验研究

为了更好研究凝胶推进剂的雾化,采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV),研究了不同撞击角度(45°,60°,75°,90°和120°)和射流压差(0.4MPa~0.8MPa)对凝胶推进剂雾化速度的影响。实验结果表明:雾化液滴速度对于撞击轴线呈单峰对称分布,距离撞击点越远,雾化液滴速度越小且分布越均匀;增大撞击角和增大射流压差都可提高凝胶推进剂有效撞击速度,即增加撞击后液体动能转换液体破碎所需的能量,雾化质量提高;当有效撞击速度大于27.9m/s时,实验室配置的凝胶推进剂可充分雾化。