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。     

圆环管道中曲率对流动稳定性的影响

为了研究圆环管道中曲率对流动稳定性的影响,选取了展向带有曲率的轴向流动和轴向带有曲率的周向流动两种圆环管道模型进行分析.采用线性稳定性理论分别计算了两种模型下不同曲率的稳定性和扰动演化情况,并和槽道流进行比较,从而得到了曲率对基本流动、特征值和特征函数的影响.结果表明：曲率越大,基本流向内侧偏转越大,扰动波流向波数越大,增长率越小,中性曲线的不稳定区域越小,特征函数的对称性越差.因此曲率对边界层内的扰动起着稳定的作用,并且在一定范围内曲率越大,稳定性越好.     

锥形液膜空间稳定性分析

对离心喷嘴喷出的锥形液膜做了空间不稳定性分析,导出了锥形液膜的色散方程,并对色散方程进行了数值求解和分析研究。研究结果表明,在液膜表面存在着对称扰动波和反对称扰动波。对于对称扰动波,液膜半锥角的增大使得液膜的不稳定范围和波增长率缩小,并且将扰动波的主波向长波的方向移动。而反对称扰动波既有类似于对称扰动波的变化规律,又有其自身的特点。仅考虑液膜曲率半径的变化时,半锥角的增大使得波增长率的减小趋缓。而同时考虑曲率半径和液膜形状的变化时,液膜的波增长率出现了两个局部峰值。这两个峰值分别对应长短不同的两个波长,并且短波的稳定范围和增长率均远小于长波。这说明锥形液膜的破碎受到两种长短不同的扰动波的共同影响,且在短波的影响下液膜更易破碎。     

三维可压气体射流在液体中剪切稳定性分析

采用时间线性稳定性分析方法，就无限域不可压有粘液体中的可压缩，无粘气体射流流动的三维扰动稳定性分析，研究较全面分析了气体压缩性，液体粘性，表面张力效应，液气密度比以及滑移速度等重要因素对气体剪切流稳定性的影响，结果表明气体压缩性助长气液剪切流动的不稳定性；液体粘性可在小范围内抑制扰动增长；表面张力作用的提高使扰动最大增长率呈线性衰减，在主导波数区域内，液气密度比愈高扰动愈强，而在最大扰动波数限附近，规律趋于相反，气液间的滑移较显著地助长扰动的不稳定。     

气流速度振荡场中幂律液膜不稳定性分析

采用线性稳定性分析研究了处于气流速度振荡场中幂律液膜时间模式的不稳定性。振荡的气流速度导致动量方程为含有时间周期系数的希尔方程，采用Floquet理论进行求解。详细研究了不同振荡幅值和振荡频率下表观雷诺数、幂律指数及无量纲速度因子对各不稳定区间的影响。结果表明：振荡幅值的增加或振荡频率的减小会使液膜不稳定区域的个数增加，且Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定区域的最大增长率、主导波数和截止波数随振荡幅值和振荡频率的增加而增加；表观雷诺数、幂律指数和无量纲速度因子的增加增强了K-H不稳定区域内的不稳定性，使参数不稳定区域内的增长率先减小后增加；振荡幅值的变化不改变最大增长率发生转折时对应的流变参数，而当振荡频率较小时，幂律指数和无量纲速度因子的增加却使最大增长率单调增加。     

凹型粗糙元对边界层稳定性的影响

为了能够利用eN方法对带有凹型粗糙元的平板边界层进行转捩预测.通过数值模拟和流动稳定性的方法研究了马赫数为4.5的超声速边界层中凹型粗糙元对扰动演化的影响.对两种尺度的凹型粗糙元下扰动沿流向的幅值和增长率分布进行了计算.结果表明:凹型粗糙元对基本流的影响只是局限在凹型粗糙元及其附近很小的范围内.凹型粗糙元对扰动幅值的演化有抑制作用,尺度越大抑制作用越明显.在凹型粗糙元的后面,凹型粗糙元对扰动幅值的增长率的影响很小,相对变化量在2%以内.验证了对壁面有凹型粗糙元的情况,可以通过流动稳定性分析加N值修正的方法进行转捩预测.      

水下超声速气体射流线性稳定性研究

水下超音速气体射流稳定性是水下推进、水下焊接技术研究的焦点领域。通过建立线化小扰动气液混合流体控制方程,开展水下超音速气体射流线性稳定性研究。控制方程的形式表明射流基本流分布(速度与浓度分布)、雷诺数、无量纲密度、无量纲粘度能够影响水下超音速气体射流稳定性。使用Chebyshev配置点法对控制方程进行求解。计算结果表明射流基本流分布以及无量纲密度是影响射流稳定性的主要因素。射流基本流分布越平缓,射流最大扰动增长率越小；无量纲密度越小,即气液密度差越小,射流最大扰动增长率越小。随雷诺数增加,射流最大扰动增长率先减小后增加,当雷诺数大于105时,射流最大扰动增长率趋于常数。对不同无量纲粘度,射流扰动增长率-特征波数曲线高度重合。同时分析了射流不同截面的稳定性特征,计算结果表明射流最大扰动增长率随距喷口距离增加而减小。这些结论有助于理解水下超音速射流物理过程,为实际应用提供理论指导。     

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。     

多孔表面抑制第二模态失稳的最优开孔率和孔半径分析

多孔介质、微槽道和超声波吸声材料等可用于抑制高超声速边界层第二模态扰动波。通过声波在无穷长小管道中的传播模型给定多孔介质表面的扰动边界条件,采用时间模式的线性稳定性理论分析了多孔介质表面对边界层稳定性的影响。对马赫数6热壁平板边界层的考察表明,多孔介质表面不仅可以大大推迟第二模态扰动波的中性点,还可以大大抑制最不稳定第二模态扰动波的幅值增长率。为了找到最优控制参数,在较广的参数范围内考察了多孔介质表面的开孔率和孔半径对第二模态扰动波幅值增长率的影响,得到了最优开孔率和孔半径沿流向的分布。最后,还考察了基本流的当地非平行性(法向速度)对控制效果和最优控制参数的影响。     

局部凸起对可压缩平板边界层稳定性的影响

在采用直接数值模拟(DNS)方法计算得到来流马赫数为4.5的带局部凸起的可压缩平板边界层基本流的基础上,基于线性稳定性理论(LST)进行稳定性分析,通过求解扰动方程研究了不同频率的扰动波与不同高度的局部凸起的相互作用,定义了穿透系数来研究局部凸起对流动稳定性的影响.研究结果表明:当局部凸起高度小于0.2个边界层厚度时局部凸起对来流的影响是局部的;局部凸起使频率小于最不稳定波频率的扰动波更不稳定,对频率大于最不稳定波频率的扰动波有稳定作用,其中最不稳定波频率是指局部凸起中心位置处平板边界层中第2模态最不稳定波的频率;穿透系数定量刻画了局部凸起对稳定性的影响,高度为0.2个边界层厚度的局部凸起引起e-N方法中N值的修正量达到0.8,接近转捩位置处N值的10%,在转捩预测中必须考虑.     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中，液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂，至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性，采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程，根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时，射流表面波增长率显著增加，最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时，Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用；反之，Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度，只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似；保持气流流量相同时，负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

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。     

气液比对气液同轴离心式喷嘴缩进室内流动过程的影响

为了研究气液同轴离心式喷嘴缩进室内部非定常流动过程,采用Level Set和VOF相耦合的方法结合网格自适应技术对缩进长度为8 mm的液体中心式气液同轴离心式喷嘴流动过程进行了数值仿真研究,计算得到了较为精细的液膜一次破碎过程、流场结构和压力振荡特性。结果表明：液膜的破碎模式受气液比的影响较大,随气液比的增加,液膜破碎模式由曲张表面波主导的破碎变为穿孔破碎。此外,清晰获得了自激振荡过程,分析了缩进室内部压力场及速度场分布特征,研究发现随着气体压降增加,气体环缝出口会出现膨胀波和激波,形成一个“扇环形”的超声速流场区域；激波后气流分离,出现旋涡,形成局部高压区,旋涡中心随激波面周期性地上下移动,致使局部压力出现周期性振荡。     

Atomization mechanism of a charged viscoelastic liquid sheet

In order to study atomization mechanism of a viscoelastic liquid sheet in an electric field,the spatial–temporal stability analysis of a viscoelastic liquid sheet injected into a dielectric stationary ambient gas in the presence of a vertical electric field is conducted. The dispersion relations of both sinuous and varicose disturbance modes are solved to explore the spatial–temporal instability of a charged viscoelastic sheet, by setting both the wave number and frequency complex. A parametric study is performed to test the influence of the dimensionless parameters on the absolute instability of the sheet. The results show that the increase of liquid Weber number and time constant ratio, or decrease of gas to liquid density ratio and Reynolds number, can damp the absolute instability. The effect of the liquid elasticity depends on the value of time constant ratio: when time constant ratio is small, the increase of liquid elasticity could amplify absolute growth rate, but the effect is weak when the elasticity number is relatively large; when time constant ratio is large, the increase of liquid elasticity cannot affect the absolute growth rate. Moreover, the variation of electrical Euler number can hardly influence the absolute instability of a charged viscoelastic sheet.     

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。     

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dp/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.     

Direct Numerical Simulation of Secondary Breakup of Liquid Drops

This article studies numerically a familiar important phenomenon in spray combustion which is deformation and breakup of liquid drops in gas flow. The SIMPLER method is used to solve the two-dimensional (2D) unsteady axisymmetric Navier-Stokes equations for both the drop and the ambient gas flow. The level set method is applied to capturing the liquid/gas interface. Through calculation are obtained four typical breakup modes-oscillation, bag breakup, sheet stripping breakup and shear breakup governed by four non-dimensional numbers which are gas Weber number (Weg), liquid Reynolds number (Rel), gas Reynolds number (Reg) and density ratio (γ) . Their effects upon each mode are analyzed. The results indicate that among the four numbers, Weg is of the highest importance with Rel, Reg and γfollowing up. By widening the range of the density ratio up to 1 000, the breakup mode is discovered to be so complicated that a new one called multimode breakup mode turns up. This mode contains the shearing breakup and piercing breakup, which successively happen. The calculation results agree well with what is observed from the experiments.     

横向气流中的液体圆形射流破碎实验

采用了高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流破碎过程进行了研究.实验中使用的喷嘴喷孔直径为0.3 mm,研究液体工质采用水,液气两相动量通量比的范围为10.2～80.结果表明,射流表面初始波动是蛇形波动,在气动力作用下逐渐发展成螺旋状表面波,最终增长到一定程度使得液体断开.随着气流速度的增加,气动力在射流破碎过程中将取代表面张力而占据主导地位,而且螺旋状表面波幅值会随气流速度增加而增加.射流运动轨迹脉动幅度随气流速度增加而增强,随射流速度增加而减弱.同时给出了射流破碎位置坐标与液气两相动量通量比之间的关系式,以及射流液柱在破碎点之前类似抛物线的轨迹曲线公式.