毛细管内部核化过程分析

针对微细结构内部的核化沸腾特性进行理论和实验研究,利用统计理论分析并且导出受热工质内部沸腾发生所需的过热度,揭示出毛细管道内部空间尺度对核化的影响。实验中,对四种工质(去离子水、甲醇、乙醇、四氯化碳)在毛细管内部的沸腾现象进行了观察和测量,结果表明理论分析与实验观测结果吻合得较好。      

微气泡发射沸腾形成机理

为了探究具有超高换热性能的微气泡发射沸腾现象的形成机理,采用FLUENT软件对加热面上单个气膜周围的速度场进行数值模拟,并与实验结果进行对比.实验结果表明,对于水,微气泡发射沸腾现象发生时,加热壁面上会出现气膜破裂的过程,并且过冷度和壁面过热度的升高会加剧这一过程.对于酒精,微气泡发射沸腾现象很难发生.计算结果表明,在过冷条件下气膜周围存在marangoni对流,对于水而言,过冷度和壁面过热度的升高会增强气膜周围的marangoni对流过程,而在酒精气膜周围 marangoni对流相对较弱.因此由气膜周围强烈的marangoni对流过程引起的气液界面上的扰动可能造成气膜破裂,这可能是微气泡发射沸腾现象形成的原因之一.      

微尺度沸腾的团聚过程分析与压力扰动模型

本文从团聚(clustering)的分子动力学过程出发,研究微尺度沸腾相变的物理机制。通过分析沸腾系统势能变化趋势,指出核化阶段必然伴随团聚体积的增加,从而导致压力扰动的产生。在微尺度条件下,这种压力扰动将可能主导沸腾系统的相变行为。      

刚性壁面附近气泡和自由面的耦合效应研究（英文）

为研究刚性壁面附近的气泡与自由面的耦合效应,使用边界元方法(BEM)建立了一套考虑气泡、刚性壁面和自由面的数值模型。专注于与垂直平面成30°角的刚性壁面附近的气泡和自由表面之间的耦合效应,从两个方面进行研究:首先,为了研究气泡位置的影响,定义了一个无量纲的距离参数γh,它表示初始气泡与自由面和刚性壁面相交的垂直平面之间的距离。对于大尺度的气泡,在气泡的坍塌阶段会形成两个液体射流,自由面的高度的变化取决于γh。γh较小时,自由面的高度在刚性壁面上达到其峰值,而γh相对较大时,此峰值出现在气泡正上方。其次,模拟了不同的气泡尺度下气泡和自由面的行为,发现气泡尺度对自由面的影响主要反映在气泡正上方的自由面高度上。当气泡尺度的影响相对较大时,该高度在整个过程中持续变大,而当气泡尺度的影响相对较小时,该高度呈先增加然后减小的趋势。     

竖直楔形流道的单气泡上升过程的实验研究

通过实验对竖直楔形流道内单气泡上升过程的行为特性进行了研究。利用高速摄影设备和计算机图像处理技术准确地追踪了气泡上升过程中运动轨迹和形态的变化。通过对气泡上升过程中旋转角、瞬时速度、瞬时加速度等参数的分析,找到了楔形流道内气泡上升过程的运动规律,并且通过推导获得了气泡上升过程中拽力系数的计算公式。     

加热板上蒸发液滴动态特性的实验

采用高速摄像技术可视化观察5 μl小液滴在铜、铝和不锈钢表面上的蒸发与核化过程,板温50～112℃.实验测量了液滴高度、湿润半径和接触角随时间的动态演化.板温低于100℃时蒸发处于自由界面蒸发模态,过程可分为两阶段,第一阶段液滴高度和接触角连续降低,湿润半径仅比初始值略有降低;第二阶段后退角恒定,湿润半径迅速降低至零.板温高于100℃时处于核态沸腾模态,液滴内部核化及气泡动力学过程强烈依赖壁面过热度.自由界面蒸发模态和核态沸腾模态,壁面平均热流与壁温均呈线性关系,斜率的不同反映两种模态换热机制的差别.     

空间变过载下液氢输送管内气泡动力学特性仿真研究

针对火箭发动机空间二次点火前上面级燃料系统必须将输送管内气泡排空的需求,以处于空间环境的液氢输送管为对象,借助CFD仿真手段研究了管内气泡的生成与分布规律,对比分析了小过载正推、小流量排放下管内两相流瞬态特性。研究表明:微重力下管内小气泡将合并,形成尺度与管径相近的大气泡;提供小过载正推后,大气泡可能破碎形成小气泡,并从管路顶端溢出;输送管内气泡完全排出时间与管内初始含气率关系不大,主要受过载水平的影响;存在临界过载加速度,当所加载的加速度小于该临界值,气泡无法排出;液体小流量排放时,管内气泡在液流惯性推动与冷凝湮灭两种机制下排出。     

水下高速射流气泡变化过程数值研究

为研究水下高速射流气泡变化规律,采用VOF(Volume of Fluids)模型分别对水下等温高速气体射流和热高速气体射流动态流场进行了气水耦合数值求解。其中热射流考虑了汽化因素对气泡内气流场的影响,数值模拟了气泡的形成、发展、断裂及融合过程,揭示了气泡中压力和马赫数等参数的变化规律,得出了水下点火初期的流场特征。研究发现:在相同入口压力下,热射流产生气泡的空间尺度比等温射流产生的气泡空间尺度要小;气泡发展过程中会出现颈缩,也可能断裂,断裂与否取决于气泡颈缩处内外压差,气泡的颈缩与断裂是产生压力脉动的重要因素,并决定了压力峰的位置和大小,气泡断裂位置越靠近喷管出口,压力峰值越大,该压力峰值会影响火箭发动机尾流场特性。     

锐孔气泡形成周期及影响因素的研究

气液反应器和工艺设备中存在大量的气泡,要建立准确预测气泡形成特性的计算模型,就需要详细了解气泡的形成过程,通过CLSVOF数值模拟方法配合实验验证对锐孔气泡形成过程进行了研究。着重讨论了气流量和孔径对气泡形成的影响,并研究了气泡在形成阶段的动力学特性和孔口处气泡的脱离。通过模拟数据和实验数据的分析结果,结合Fr数和Bo数关系图得出：气泡从不发生相互扰动到气泡之间发生合并与破裂的过渡阶段中,气泡锐孔处的进气速度随着孔径的增大而减小。     

自耦合射流流动特性的PIV实验研究

采用三维粒子图像测速仪(PIV)对具有相同出口面积的圆孔喷口和狭缝喷口自耦合射流激发器外部流场特征进行了实验研究.结果表明:狭缝喷口自耦合射流与圆孔喷口自耦合射流的形成过程相同,都经历了涡环产生、发展、破碎融合的周期性过程,在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流.时均流场分布表明狭缝喷口自耦合射流的流场型面较宽,扩展角度较大.狭缝短轴方向和圆孔水平方向上自耦合射流的时均速度曲线呈现规则的对称分布和速度自模的特征,而狭缝长轴方向自耦合射流在靠近喷口处的速度分布呈现马鞍状,这一特征随着法向距离增大而逐渐消失.      

狭窄空间内沸腾传热机理

通过实验观察,分析了狭窄空间内沸腾传热特征,得到表征通道宽度的Ｂｏｎｄ数存在临界值（０．６）。通道超临界和亚临界情况沸腾传热机理完全不同。对于超临界通道（Ｂｏｎｄ数≥０．６）沸腾传热是池沸腾传热和液相对流传热的叠加。亚临界通道（Ｂｏｎｄ数＜０．６）情况,加热表面被聚合汽泡和液柱周期性交替冲刷。汽泡通过加热面时,汽泡与加热面间存在一层薄液膜,这时主要通过液膜蒸发传热。液柱通过时为液相对流传热。上述模型均考虑了介质沿加热面的流动。模型预测的结果与实验值吻合良好,同时也证实了狭窄通道强化传热时存在最佳宽度与高度。     

狭窄空间内沸腾的几个特征

将石英或瓷质板用电热膜技术加工成加热板。将两块加热板对称地放入饱合氟利昂－１１３（Ｒ－１１３）中形成竖直窄通道。对通道内沸腾的始沸点、流型和传热规律等基本特性进行实验研究。结果表明：始沸热流随加热板通道间距减小而降低;沸腾流型与加热过程、通道间距等因素有关;存在最佳传热通道间距;最后提出小通道内始沸热流、传热规律的半经验关系式。     

闪沸工况下过热度对水喷雾雾化效果的影响

针对空间及高空环境中航天器、空天飞行器热载荷不断提升而热耗散能力低下的严峻问题,研究水喷雾在低压闪沸工况（又称过热状态）下的雾化效果,雾化效果会直接影响到喷雾的冷却效果。首先,建立了单个液滴在低压环境下由于气泡生长、气动力造成的二次雾化（液滴破裂）模型以及沸腾传质传热模型。其次,通过拉格朗日法综合喷雾中所有液滴,利用MATLAB仿真计算不同过热度对喷雾雾化及液滴温度的影响。进而分析过热度对喷雾冷却效果的影响。计算结果表明,闪沸工况下雾化效果远优于过冷状态;液滴在闪沸工况下温度总会快速趋近饱和温度;过热度越高液滴的雾化效果越好,理论上能够带来更好的冷却效果。     

狭缝内乙烯/氧气预混气体爆轰几何极限的实验

为研究狭缝内爆轰波传播极限,实验得到了不同初始压力(0.004~0.04MPa)下化学恰当比的乙烯/氧气预混气体在狭缝高度为1.0~4.0mm狭缝内的爆轰性能.采用烟膜板记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面.结果表明:狭缝高度越小,爆轰极限对应的临界初始压力越高.对于近极限条件内不稳定爆轰传播模式,包括"结巴"爆轰和驰振爆轰,其对应的初始压力范围随着狭缝高度的降低而变宽.考虑初始和边界条件,将水力直径与胞格宽度之比作为合理的爆轰敏感性参数描述预混气体爆轰特性,得出在不同狭缝通道内爆轰极限范围为,即该比值在0.326~0.403之间.      

缝隙目标电磁散射特性试验

 通过对目标结构进行合理设计,可以在一定角域内显著减小雷达散射截面(RCS)。对飞行器表面常见锯齿缝隙的散射特性进行了研究。在微波暗室内对锯齿缝隙分别沿俯仰角变化、方位角变化的减缩效果进行测试。俯仰角变化时,锯齿缝隙有较好的减缩作用,以114°锯齿缝隙在试验中减缩效果最好。方位角变化时,对114°锯齿缝隙进行了多频段测试,并与相应直缝隙进行了对比研究,结果表明,通过选取合适的方位角角域,锯齿缝隙的减缩作用会随入射波频率的升高和仰角的增大而显著增强。结论可为高性能隐身飞行器外形隐身设计提供参考。     

水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应。基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统。通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布。同时,搭建了高速摄影所需的光学装置,拍摄了空化现象的高速摄影图片,对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究。对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程。实验结果表明：负压是空化现象发生的主要原因,空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系,并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间。     

凹半球降落伞模型在加速和定常流中的流场观测

 在北京航空学院水槽中,用氢泡法对绕凹半球模型流动进行了研究。模型前后流速分布是用氢泡时间线测量的,它与在起动开始时由无旋流理论估算值接近,但当起动旋涡变大以后,在尾流中流速差别变大。在模型后部诱导出较大的反流速席。所以由无旋估计的虚质量只在开始时是可用的,并且在起动涡变大时,虚质量应更大。 在定常流中,在模型前有时形成一个大旋涡,这个旋涡是非定常的并且可能引起侧向力和伞的非定常运动。模型上适当开孔可减小甚至消除此旋涡。     

引射/强迫式波瓣混合器开设通气狭缝的流动分离控制

为了抑制大扩张角波瓣混合器主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,在基准波瓣混合器上开设了通气狭缝,通过数值模拟的方法研究了上述处理对次流分别为受迫流动和引射流动两种情况下的波瓣混合器抑制主流流动分离的效果.研究结果表明:①波瓣扩张角小于35°时,波瓣混合器内没有任何的流动分离的现象发生,当波瓣扩张角增大到35°时,波瓣内开始出现流动分离,继续增大波瓣扩张角,则波瓣混合器内流动分离加大;②对于次流为受迫流动的大波瓣扩张角波瓣混合器而言,开设了通气狭缝后,流动分离得到了有效的抑制;③对于次流为引射流动的波瓣混合器而言,对存在流动分离的大波瓣扩张角波瓣混合器开设了通气狭缝后,流动分离并未得到了有效的抑制,通气狭缝的存在提前诱发主流侧流体的分离.      

挂滴燃烧中的微汽泡行为和液滴跳动

利用高速显微摄像技术,观察研究了RP-3微尺度挂滴燃烧过程中,微汽泡的核化、生长、聚并和溢出的行为过程及液滴跳动现象.结果得出:①液滴中微汽泡产生的位置;②在蒸发初期时由微汽泡引起液滴体积的膨胀;③在燃烧中由汽泡行为导致液滴的跳动;④液滴燃烧的稳定(不爆裂)现象.分析了表面张力在挂滴燃烧过程中的作用,确定了挂滴稳定燃烧的临界条件下的临界特征体积在2.5~5.0μL.