倾斜射流撞壁实验研究及液膜几何参数建模

倾斜射流撞壁在液体火箭发动机液膜冷却、射流撞壁雾化等领域具有广泛的应用。为了研究倾斜射流撞击壁面后形成的液膜的关键特征，开展单股圆柱射流撞击壁面的实验研究。从实验中研究各射流参数对液膜外形的影响规律，继而开展理论建模，获取液膜外形的关键几何参数表达式。实验研究发现随着射流倾角增大，液膜长度减小而宽度增大，随着射流孔径和射流速度增大液膜长度和宽度均增大这一定性规律。理论分析得到了液膜最大宽度位置与液膜对称面的夹角近似等于射流倾角α，液膜的长宽比近似等于1+cot α。通过进一步分析得到液膜宽度、最大宽度距撞击点的距离、液膜长度这几个液膜关键参数的表达式。建立的液膜几何参数表达式预测结果与实验结果的误差均在20%以内。     

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%。     

大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟

采用 VOF 方法建立了大水滴撞击壁面的计算模型,模拟了大水滴以不同直径、不同速度撞击光滑壁面的动态撞击过程和撞击特性。计算结果表明：在大韦伯数情况下,水滴撞击光滑壁面会在铺展过程中发生边缘水滴飞溅;在水滴撞击壁面的收缩阶段,随着水滴直径的减小和水滴速度的提高,会发生液膜缓慢收缩、边缘液环和液膜分离、中心处部分液膜和边缘液膜分离、液膜完全破裂等不同结果;当水滴直径和撞击速度增大时,同一时刻水滴的铺展半径、最大铺展半径、最大铺展系数增大;水滴在壁面上达到最大铺展系数所用的无量纲时间随水滴直径增大而增大,同一直径水滴不同初始速度下达到最大铺展系数所用的无量纲时间变化较小。     

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。     

壁面边界对撞击合成动量角的影响研究

为了研究动量比对针栓式喷注器撞击雾化合成动量角的影响规律,基于三相的与水平集耦合流体容积法(CLSVOF)对贴壁液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了数值模拟,并与自由液膜/自由液膜撞击的合成动量角进行了对比,结合试验结果及理论预估结果详细考察了有无壁面条件下合成动量角与动量比的关系,深入分析了造成两者之间差异的根源,揭示了壁面边界对合成动量角产生影响的作用机制。结果表明:CLSVOF方法计算的合成动量角与试验结果一致,最大相对误差约为10%,大多数工况点的相对误差小于5%;有壁面边界的贴壁液膜/自由液膜撞击合成动量角显著大于无壁面边界的自由液膜/自由液膜撞击的;仅一路流体贴壁的撞击合成动量角与常用的入口动量比理论预测值最大相差20°以上,而两路均无贴壁或者均贴壁的撞击合成动量角与理论预测值吻合很好。这一显著差异的根源在于两者撞击形成的高压区分布显著不同。壁面的存在使得撞击点附近形成的高压区对两路流体作用不对称,有壁面边界时壁面承受高压迫使其对贴壁流体有强的作用力,导致垂直于壁面方向动量不守恒,根据入口动量比预测的理论不再适用。     

射流撞击雾化索太尔平均直径的计算

针对射流撞击雾化初始形成液膜的特征，推导出极坐标下自变量为极角的液滴尺寸分布函数的解析式，这种形式的分布函数与经典的Ｒ～Ｒ分布、上限对数正态分布等概率分布函数不同，可以计算任意撞击角下两股相同射流撞击或一股射流撞击壁面边缘在任意极角区域雾化所产生液滴的索太尔平均直径。计算结果表明，索太尔平均直径随撞击角增加而单调减小；射流直径、射流速度、射流温度变化时，索太尔平均直径也呈一定单调规律变化。本文还结合新一代液体火箭发动机层板式喷注器喷注单元雾化的特征进行了有关雾化机理的探讨。     

倾斜射流撞壁形成的液膜外形的理论建模

倾斜射流撞击壁面在燃烧室液膜冷却、溅板式喷注器雾化等领域均有广泛应用。为了研究倾斜射流撞壁形成的液膜的基本形态、液膜边界大小,开展理论建模研究。通过建立在液膜边界的守恒方程及液膜在壁面上的厚度及速度分布关联式,形成一套能够求解倾斜射流撞击壁面后液膜形态及边界的理论方法。模型计算结果与文献中的实验结果对比表明,建立的模型能够较为准确地反映出壁面上液膜的基本外形。理论模型计算表明：液膜铺展面积随着射流速度和射流直径的增大而增大;当射流与壁面的夹角增大时,液膜流量分布的改变会导致液膜长度减小,宽度增大;模型计算结果能够反映出液膜边界随接触角增大而变小这一定性规律。     

气液针栓式喷注器液膜破碎过程和结构的数值研究

为了更好地认识针栓式喷注器雾化场的结构，基于网格自适应加密技术以及VOF (volume of fraction)方法追踪气液的分界面，采用realizable k-ε湍流模型模拟整个流动过程，还原了不同时刻气/液撞击的初次破碎过程，数值模拟结果与高速摄影试验结果定性定量对比均吻合较好，验证了数值方法的准确性。进一步对针栓式喷注器气/液撞击的初次破碎过程、内部流场涡结构、速度场进行分析，研究了初次破碎雾化的动力学过程和机理。研究结果表明：液桥的形成主要是由液洞的扩展和拉伸、合并而形成，而液滴主要是由中心液膜拉伸、液丝断裂以及液桥断裂而形成，液膜破碎阶段形成的涡结构是造成液膜断裂的主要原因。     

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。     

直流互击式喷注单元雾化特性准直接数值模拟

为实现直流互击式喷注单元雾化过程的数值求解并探究结构及工作参数对雾化特性的影响规律,基于一种树形自适应加密算法与流体容积(Volume-of-Fluid,VOF)方法实现了雾化过程的准直接数值模拟。计算得到了两股射流由喷射到撞击形成液膜,液膜进一步破碎形成液丝、液滴的全过程,获得了液膜的破碎长度、液滴的Sauter平均直径、雾化频率等雾化特性参数。通过将典型算例的计算结果与试验数据进行对比验证了计算的有效性,给出了数值求解精度。探讨了撞击波的形成机理,分析了雾场液滴的尺寸分布规律,撞击夹角、孔径比、射流速度、动量比对雾化特性的影响规律。结果表明:所采用的算法可以实现多相、多尺度雾化过程的数值求解;撞击波的形成是由于两股射流撞击时惯性力的不完全对称导致的;雾场液滴的尺寸分布近似服从Rosin-Rammler分布;撞击夹角的增大与射流速度的提高导致液膜的破碎长度减小,液滴的平均粒径减小,撞击夹角增大雾化频率呈减小的趋势,射流速度提高雾化频率呈增大的趋势;动量比为1而孔径比不为1时会形成凹形液膜,雾场存在一定程度的偏斜;动量比主要影响雾场的偏斜程度。     

水膜形成对轴流风扇气动影响的数值研究

为了研究水膜对风扇气动特性的影响,综合水滴碰撞壁面的参数,应用水膜方程求得叶片表面水膜方均根厚度。在数值计算中引入砂砾粗糙度模型来模拟水膜引起的叶片表面粗糙度变化。针对不同吞雨量和水滴直径条件开展数值计算。计算结果表明:水膜主要分布在叶片压力面中的前缘和叶根区域,其厚度和沉积面积随着吞雨量的增加而增大,并且水膜的存在会导致风扇压比和温比的降低。例如,当水滴直径为1000μm、吞雨量为5%时,水滴沉积面积为0.0758m2,占叶片压力面总表面积的33.91%。      

轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析

轴承腔的润滑和换热设计依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解。针对先前研究工作的不足,在包含油滴碰撞腔壁热量交换、沉积热量以及油膜温度即考虑温度效应的条件下,开展了油滴沉积特性及油膜流动特征分析。首先分析了单个油滴碰撞腔壁沉积特性,确定了油滴的沉积质量、动量和热量。其次在考虑油滴尺寸分布的条件下,通过离散油滴尺寸范围的方式确定了腔内所有油滴碰撞腔壁的沉积油膜质量、动量和热量。最后借助力学平衡和质量守恒条件,以上述参数为基础计算了腔壁油膜温度以及速度和厚度的分布情况。计算结果表明,随着转子转速的增加,油滴的质量、动量和热量沉积率有所降低,一次沉积油膜质量、沉积油膜动量、沉积油膜热量以及油膜速度均有所增加,而油膜厚度降低。通过与试验数据的对比表明,提出的轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析方法是较为可靠的,并且考虑温度效应使油膜厚度的计算更为准确。分析工作为轴承腔的润滑和换热设计提供了一定的参考依据。     

液滴冲击移动液膜的数值研究

为了研究液滴冲击移动液膜问题,建立了三维不可压缩层流计算模型,基于耦合的水平集-流体体积法对两相界面进行追踪,探讨了液膜速度和厚度、液滴直径和速度对冲击移动液膜过程的影响。研究表明:液膜静止时,冲击结果是对称的,而液膜移动时,冲击结果变为非对称;液膜速度对冠上游生长具有增强效应,而对冠下游具有抑制作用,增加液膜速度冠的上游高度增加、下游高度减小,内径增加;液膜厚度增加,液膜与壁面的粘性损失减小,吸收冲击动能的能力增强,当无量纲液膜厚度小于1时,冠的上、下游高度均随着液膜厚度的增加而增加,否则相反;当无量纲液膜厚度小于0.5时,冠内径随着液膜厚度的增加而增加,否则反之;随液滴直径和速度的增大,冠的高度和内径均增加。     

激波抛撒水膜成雾参数实验研究

使用激光相位多普勒粒子测速系统对激波抛撒水膜形成的云团进行了观测,得到激波抛撒水膜形成的云雾中液滴速率和尺寸参数。结果表明：不同厚度水膜在同等强度激波的作用下抛撒,破碎产生的液滴轴向速率和尺寸以及形成云团的高度都随水膜厚度的增加呈“W”形变化。不同厚度水膜其破碎液滴轴向运动速率存在显著差异。而径向运动速率差距不大。结果说明,在激波作用初期,激波驱动力起着关键作用．随着抛撒距离的增加．液滴的蘑力及在气流中所受摩擦阻力的影响越大。液膜厚度越小,透射激波越强,液膜被抛撒的范围越大。形成云团的直径随着液滴的径向速率增加而变大。     

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响

为了研究液态水含量对防冰表面水膜流动换热的影响,基于机翼防冰表面水膜及空气相互作用机理,并考虑水膜表面传热传质过程,建立了水膜与空气的流动换热模型,得到溢流水膜及空气边界层流动换热的积分控制方程,通过对比文献试验结果验证了模型的准确性.在此基础上,比较了不同液态水含量条件下防冰表面水膜厚度及主要热流量的分布情况.结果表明:液态水含量对水膜沿表面厚度分布有明显影响,而对换热过程中各项热流的影响主要集中在水滴撞击区域,加热热流与散热热流随液态水含量的增加呈现相反的变化趋势.     

柱坐标系下准三维液滴撞击壁面的数值分析

液滴撞击壁面现象广泛存在于自然界与工程领域。为研究其运动特性,本文基于柱坐标系与VOF模型,对准三维液滴撞击固体壁面过程进行模拟。该方法实现了三维到二维的合理简化,模拟与实验结果较为吻合,铺展系数约为2.1。在此基础上,本文对单液滴撞击固体壁面过程进行了多工况模拟,模拟表明液滴在速度和直径较大情况下铺展系数较大。相反,在表面张力系数和接触角较大情况下铺展系数较小。最后,对双液滴相继撞击壁面的过程进行了模拟,发现液滴在铺展过程中出现了二次铺展现象,并探究了速度和液滴中心间距对铺展特性的影响。结果表明,双液滴在速度和液滴间距较大的情况下铺展系数较大。     

正庚烷液滴在微细直管中的燃烧特性实验

为了解微细直管对液滴形成和燃烧稳定性的影响,采用正庚烷作为燃料在内径为4mm的石英直管中的进行了实验研究.其结果显示:首先在不加热时,容易形成液滴,正庚烷体积流量小于40μL/min 时,火焰稳定性受液滴滴落的影响较大,液滴的蒸发主要受到空气体积流量影响下的火焰位置的影响;大于40μL/min时,液膜形成,火焰受液滴滴落影响不大.其次,管壁加热温度为180℃时,正庚烷体积流量低于60μL/min时难以形成液滴,大于60μL/min时液滴滴落后不形成液膜,液滴的蒸发受空气流速的影响较大,在液滴滴落以及空气流速的影响下,微燃烧器温度的变化对燃料的蒸发产生更大的影响,富燃较贫燃更易形成连续的火焰.空气流速大小对管壁温度影响明显,空气流速越小,管壁温度越高,液滴蒸发速率越大.      

A spongy icing model for aircraft icing

Researches have indicated that impinging droplets can be entrapped as liquid in the ice matrix and the temperature of accreting ice surface is below the freezing point. When liquid entrapment by ice matrix happens, this kind of ice is called spongy ice. A new spongy icing model for the ice accretion problem on airfoil or aircraft has been developed to account for entrapped liquid within accreted ice and to improve the determination of the surface temperature when enter- ing clouds with supercooled droplets. Different with conventional icing model, this model identifies icing conditions in four regimes： rime, spongy without water film, spongy with water film and glaze. By using the Eulerian method based on two-phase flow theory, the impinging droplet flow was investigated numerically. The accuracy of the Eulerian method for computing the water collection efficiency was assessed, and icing shapes and surface temperature distributions predicted with this spongy icing model agree with experimental results well.