幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

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。     

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。     

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。     

针栓式喷注器液膜下漏率预估模型

为了对针栓式喷注器液膜下漏率进行准确预测,基于针栓式喷注单元喷雾场结构分析,结合理论推导、数值仿真及试验研究3种方法建立了液膜液束各自变形的相对变形量模型;在考虑液膜液束变形的基础上,引入相互影响系数表征多喷注单元间相互影响,建立了实际阻塞率和实际下漏率模型。通过数值仿真及试验结果的多参数充分验证,结果表明:理论预估模型与数值仿真及试验结果一致性较好。液膜液束相互作用下,液膜绕液束流动和液束根部横截面前后缘位置移动不同步导致的展向变宽分别是液膜和液束发生变形的主因,且有效动量比越大,液膜相对变形越大,液束相对变形越小。对于一定阻塞率的几何结构,结果表明:下漏率随着有效动量比的增大而增大,增大趋势呈先快后缓,且实际下漏率均小于几何下漏率,这是由膜束变形导致的实际阻塞率比几何阻塞率更大造成的。另外,发现液膜下漏率仅与表征流场结构(有效动量比)及几何结构的无量纲参数(液膜厚度与液束直径之比和阻塞率)有关,与喷射速度的绝对值无关,并给出了模型中的常系数供工程设计预估使用,对从设计初期就考虑针栓头的热防护问题具有重要的指导意义。     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

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。      

小积液情况下卧式转子的稳定性实验研究

盘腔积液现象在舰用燃气轮机工作过程中时有发生，汽化的滑油和水蒸气凝结形成积液。转子带动腔内的积液旋转，引发振动失稳，严重时会对发动机结构造成致命性破坏。为此，本文开展燃气轮机压气机盘腔积液的模拟实验研究，以双盘双支承的卧式柔性转子系统作为研究对象，重点关注小积液量的特点，对积液转子的动力学稳定性进行了研究。观测到转子的失稳现象，开展了不同积液体积、不同积液类型（水、植物油和滑油）等因素的影响规律研究，揭示了小积液的卧式转子动力学特征。研究结果表明：①对于积液失稳振动，存在失稳边界积液量，当积液量大于该边界值时，失稳将会发生。②失稳边界转速及恢复转速均高于临界转速。当转速高于失稳边界转速时，失稳将会发生。转速进一步增加，高于恢复转速时，失稳现象可能消失。③失稳时的振动特征为：出现幅值突增，次谐波成分也随之增加；基频和次谐波发生调制，表现出拍振特征。④随着积液体积的增加，失稳边界转速先减小后增加。⑤随着积液粘度系数增大，失稳边界转速和边界积液量均增大。     

湍流两相燃烧不稳定性分析

采用数值模拟的方法对液体火箭发动机燃烧室内湍流两相流动与燃烧过程进行了分析,同时研究了燃烧室内高频不稳定燃烧现象。气相控制方程用欧拉坐标系下的Navier-Stokes方程组描述,液相控制方程在Lagrangian坐标系下描述,湍流模型采用高雷诺数的k-ε双方程模型,并采用高压蒸发燃烧模型。通过数值模拟分析了当燃烧室处于稳态燃烧时从喷注面到喉部之间两相混合物的变化规律;当发生高频不稳定燃烧时所研究的控制体内混合气体和喷雾的量发生振荡,并且具有相同的频率和半个周期的相位差。     

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。     

电场及双向压缩下含压电层的对称层合圆柱壳体的动力稳定性

 应用一阶剪切变形理论, 分析了简支边界有限长含压电层的对称层合圆柱壳及壳块在谐变电场及双向周期荷载作用下的动力稳定性问题, 并用模态展开的方法得出一阶动力不稳定区。选择几种模态为例说明材料的压电性、壳体几何参数和加载形式对不稳定区的影响。结果表明此类压电复合结构的动力不稳定区主要由结构自身刚度及外载所决定, 而受外加电场及压电效应影响很小。     

燃烧条件下凝胶自燃推进剂雾化特性试验研究

为了研究凝胶自燃推进剂的雾化特性及敏感因素,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内进行了凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)喷雾燃烧过程可视化试验,采用光源后置消光法湮灭火焰自然辐射发光,采用彩色高速摄影获取了燃烧条件下的高质量雾场阴影图像,通过图像处理,有效提取了雾场的雾化锥角、破碎长度、液丝直径及液丝运动速度,分析了撞击角、射流速度和动量比的影响。结果表明,凝胶MMH/NTO稳态燃烧时可观察到液膜、贯穿视场的液丝和红棕色NO_2气体,推进剂混合燃烧不充分;撞击角从75°增大到105°,凝胶MMH/NTO撞击后的破碎长度、液丝直径减小,视场内可视红棕色NO_2气体变少,撞击角为105°时,推进剂会附着在喷注面上,从而影响液膜横向铺展,雾化锥角反而最小,建议撞击角选取90°。燃料射流速度从23m/s增大到45m/s,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,破碎长度及液丝直径减小,雾化模式发生改变。动量比从1.04增大到1.52,凝胶MMH/NTO撞击后的雾化锥角及液丝运动速度增大,视场内红棕色NO_2气体变少。故一定量程内增加撞击角、射流速度、动量比有助于凝胶MMH/NTO推进剂混合燃烧。     

高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响

高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性，进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设，通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程，开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟，分析气体模型对磁流体控制的影响，研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明：化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著，采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间，平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律，与非平衡气体模型模拟结果差异很大；热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响，与焦耳热振动能量作用比率紧密相关，随该配比增大，磁场增阻效果由67%降到约12%；高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果，会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果，要准确数值模拟高超声速磁流体控制，必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应，同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。     

Inductive electric fields in the magnetotail and their relation to auroral and substorm phenomena

The paper reviews the importance of inductive electric fields in explaining different magnetospheric and auroral phenomena during moderately and highly disturbed conditions. Quiet-time particle energization and temporal development of the tail structure during the substorm growth phase are explained by the presence of a large-scale electrostatic field directed from dawn to dusk over the magnetotail. Conservation of the first adiabatic invariant in the neutral sheet with a small value of the gradient in the magnetic field implies that the longitudinal energy increases at each crossing of the neutral sheet. At a certain moment, this may result in a rapid local growth of the current and in an instability that triggers the onset. During the growth phase energy is stored mainly in the magnetic field, since the energy density in the electric field is negligible compared to that of the magnetic field (ratio 1: 10⁷). An analytical model is described in which the characteristic observations of a substorm onset are taken into account. One major feature is that the triggering is confined to a small local time sector. During moderate disturbances, the induction fields in the magnetotail are stronger by at least one order of magnitude than the average cross-tail field. Temporal development of the disturbed area results in X- and O-type neutral lines. Particles near to these neutral lines are energized to over 1 MeV energies within a few seconds, due to an effective combination of linear and betatron acceleration. The rotational property of the induction field promotes energization in a restricted area with dimensions equivalent to a few Earth's radii. The model also predicts the existence of highly localized cable-type field-aligned currents appearing on the eastern and western edges of the expanding auroral bulge. It is shown that the predictions agree with satellite observations and with the data obtained from the two-dimensional instrument networks operated in Northern Europe during the International Magnetospheric Study (IMS, 1976–79).     

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

液体火箭发动机中气液同轴直流式喷嘴研究综述

在双组元液体火箭发动机中,气液同轴直流式喷嘴得到了广泛的应用,这种喷嘴通常由中心的直流式液体喷孔和同轴气体环缝组成。气液同轴直流式喷嘴的工作特性可以分为雾化特性和燃烧特性。其中雾化特性又包括同轴气体作用下射流破碎雾化机理、雾化性能、真实发动机高温高压环境的影响、不稳定燃烧时压力振荡的影响以及自激振荡等;燃烧特性又包括火焰稳定机理、火焰结构以及真实发动机环境的影响等。本文从上述几个方面对气液同轴直流式喷嘴的工作原理进行了综述,以加深对其工作过程的认识。     

侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布试验

在常温常压、来流马赫数为0.182及液气动量比为10～70的条件下,以水为雾化介质,采用激光片光照相法开展了侧喷式一体化支板火焰稳定器的液雾分布特点研究,并探讨了液气动量比及喷射位置对液雾分布轨迹的影响规律。研究表明:侧喷式一体化支板火焰稳定器液雾分布的外轨迹与横向射流类似,内轨迹受稳定器回流区卷吸作用的影响而弯向回流区,且在低液气动量比条件下影响显著。液气动量比是影响一体化支板火焰稳定器喷雾内外轨迹的重要因素,液气动量比增加,液雾穿透深度增加。喷射位置对液雾外轨迹的影响较小,但对内轨迹影响显著;过近或过远的喷射距离均不利于回流区对液雾的卷吸,这与液雾喷射和稳定器的近距耦合有关。     

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。     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

粘性气体中粘性液体射流分裂与雾化机理研究

采用线性稳定性分析的方法对粘性气体中的粘性液体射流的分裂与雾化机理进行了分析,数值计算表明:液体射流分裂与雾化过程中存在一临界气体韦伯数We2c=1,We2＜We2c对应的是射流分裂过程,We2＞We2c对应的是射流雾化过程,射流分裂过程和雾化过程的机理有所不同.当We2＜1时,We2对射流分裂过程具有稳定性的作用;当We2＞1时,We2对射流雾化过程起着不稳定性的作用.液体Reynolds数Re1在整个射流过程中始终起着不稳定性的作用,气体Reynolds数Re2的作用却相反.气液密度比Q,即气动力在整个射流分裂与雾化过程中始终起着不稳定性的作用.