液体环轴对称抛撒首次破碎后期的实验研究

液体抛撒、破碎和雾化过程中 ,首次破碎向二次破碎转化的过程是一个非常重要的阶段。笔者用纹影法对液体环轴对称抛撒首次破碎后期 ,即首次破碎向二次破碎转化的阶段进行了研究。实验结果表明 :首次破碎前期产生的液体块在空气阻力作用下 ,变形成树枝状 ,进而变细变长 ,最后在不稳定性的作用下 ,断裂成更小的液体珠串 ;无水乙醇较水破碎得更为迅速 ;在首次破碎后期中伴随有强烈的二次破碎。     

液体环二次破碎所形成云雾区基本特性的研究

二次破碎是液体抛撒、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。实验结果表明,液体环二次破碎产生云雾区的液滴Ｓａｕｔｅｒ平均直径在固定点随时间的增加呈减小的趋势,而云雾区的宽度和云雾区前缘的液滴颗粒的Ｓａｕｔｅｒ平均直径则随测量的距离增加都有所增加。     

激波驱动液体轴对称抛撒的实验研究

设计了利用垂直激波管实现液体轴对称抛撒的实验装置,通过高速摄影技术获得不同驱动压力下气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的时间序列。实验结果表明,马赫数的增大导致初始扰动波的波长减小和扰动波数的增加,且尖钉发生破碎并与气流混合的程度更为剧烈。实验液体发生首次破碎的位置基本不随驱动压力的升高而改变。液体前锋的加速度曲线呈现出前期基本不变,后期迅速增大的趋势。     

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.     

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,液滴的重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.     

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性,建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统,对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像,记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位,获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置,统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现:在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下,液滴粒径主要分布在200 μm以内,其中30～40 μm粒径占比最高,均在15%以上;三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大,边缘区域粒径较小;油温降低对雾化效果恶化显著,使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降;油温从28 ℃降至–20 ℃时,下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上,局部大于650 μm;–40 ℃时,喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构,燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性,获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。     

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布.结果发现:增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布.该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据.     

乳化柴油静电雾化的试验研究

首次采用环电极-针孔喷嘴结构的静电雾化装置对由80%的0#柴油、19%的水以及1%的乳化剂配制的乳化柴油进行了静电雾化的试验研究,利用三维粒子动态分析仪(PDA)对静电雾化射流核心区域一梯形平面内93个测量点进行了雾滴特性以及流场的在线测试.研究发现,乳化柴油射流在高压静电场中其雾滴尺寸将随静电场强度的增大而有规律地减少,且其粒径的均匀度得到较好的体现;高压静电场的施加使得荷电射流流场的雾炬张大,而且随静电场不断增加至6kV,流场边缘细小雾滴还将出现静电“卷吸”现象.该结果表明比起常规雾化手段,静电雾化技术的介入使得乳化柴油的雾化质量得到一定程度提高,这对于提高其燃烧效率及降低排放具有良好的应用前景.     

合成纹影技术在内波实验研究中的应用

纹影方法是重要的密度场可视化手段.文章重点介绍实验室研究中一种新型密度场测量方法-合成纹影技术,阐述了合成纹影技术的原理.利用光源、背景模板、实验水槽、图像采集设备搭建了合成纹影系统,将合成纹影技术应用于垂直振荡圆柱和往复潮流过地形生成内波两个实验,结果验证了合成纹影技术在内波实验中定量测量密度场的可行性和准确性,为合理使用合成纹影技术进行密度场可视化测量提供借鉴和参考.     

新型除氧喷嘴的雾化性能

对新型撞击式除氧喷嘴产生的雾滴尺寸、分布与喷嘴几何参数及工作压力的关系进行了研究。测量使用激光大粒径测量仪,其实时测量范围为75～3000μm。该喷嘴在工作压力为0.1～0.6MPa 时产生,雾滴的索太尔平均粒径小于900μm,粒径随供水压力增加而减小。应进一步研究这种喷嘴的几何参数,特别是射流孔口直径及孔口至撞击杆的距离对雾化的影响,以提高它的雾化性能。     

双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究

采用粒子场脉冲激光全息技术对航空发动机燃烧室中的雾化场进行了测量,得到了燃烧室中燃油液滴直径的空间分布,从而对燃烧室中的雾化过程进行了研究。自主开发完成了适用于航空发动机燃烧室的三维两相数值计算平台,建立了首次雾化模型和二次雾化模型。基于LISA模型和KH-RT模型,对燃烧室中的首次雾化过程和二次雾化过程进行了数值模拟,得到了燃烧室中液雾的空间分布。通过将计算结果与试验结果进行对比,显示开发完成的雾化模型能很好的模拟高温高压,强旋流条件下航空发动机燃烧室的整个喷雾雾化过程。     

高韦伯数下煤油液滴的破碎机理研究

为了探究高韦伯数下气流速度及液滴初始直径对液滴破碎以及Rayleigh-Taylor不稳定波的影响,进行了煤油单液滴在气流中破碎的实验,采用高速摄影技术记录了液滴的破碎过程,应用包含粘性和表面张力的Rayleigh-Taylor不稳定性理论分析了液滴的破碎过程,对Rayleigh-Taylor不稳定波波长与液滴破碎时间进行了理论计算,并与实验结果做了对比研究。结果表明:当We为321左右时,煤油液滴开始呈现灾型破碎模式;气流速度、液滴初始直径对液滴表面的最大增长率Rayleigh-Taylor不稳定波的波长、增长率和临界波长均有影响;Rayleigh-Taylor不稳定性理论在预测最不稳定波长时,结论与实验结果的误差不超过6%;取经验参数M为8.9时,液滴破碎时间理论与实验误差最小。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室

在自主开发的软件平台上,采用基于URANS的方法计算航空发动机燃烧室的三维两相燃烧流动,考虑了液态燃油从液膜-液滴-燃气-燃烧的完整物理化学过程。其中,颗粒相采用LISA一次破碎模型,KH-RT二次破碎模型和标准的蒸发模型,湍流燃烧模型采用可以考虑非稳态燃烧特性的非稳态火焰面/反应进度变量方法,得到了航空发动机燃烧室中温度、组分浓度和燃油液滴的颗粒直径分布规律。同时,采用CARS光学手段测量燃烧室主燃区的温度分布,并将数值计算结果与光学试验测量值进行比较,数值计算结果和试验值吻合较好,数值计算误差小于7.3%。说明了本文的数值计算方法和UFPV方法在计算航空发动机燃烧室的两相燃烧流动时具有较高的精度。     

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备,其雾化喷嘴的性能直接影响结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m 结冰风洞和喷嘴低压试验台上,针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究,测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明:风洞的气流环境对云雾粒子的 MVD值影响较大;风洞的气流速度及粒子的初始温度越高,云雾粒子的雷诺数越大,其蒸发速率越大;环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大,随着环境压力的降低,喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄,但对喷嘴的流量影响不大。     

基于图像处理的低速横流中液体射流轨迹提取方法研究

为研究低速横流条件下不同工况液体射流破碎的轨迹特征和影响因素,采用高速摄像仪拍摄射流破碎图像,结合图像处理技术提出针对低速横流情况下液体射流破碎弯曲轨迹的提取方法。该方法首先采用直方图均衡化对灰度化后的原始图像进行增强处理,然后利用最佳直方图熵法（KSW法）及传统遗传算法对图像进行二阈值分割,最后结合Sobel算子和凸包算法对射流轮廓进行检测提取以获得射流轨迹的数据点集。对不同工况下典型射流破碎模式的轨迹提取及非线性拟合结果表明,所提出的方法能够准确提取液体射流轨迹,实现低速横流作用下不同破碎模式的轨迹提取,并且通过非线性拟合得到的射流破碎经验公式可以准确预测射流弯曲轨迹。     

旋转雾场粒子分布的全息测量

介绍了用高斯光束照射光栅而形成的衍射光场照明粒子场的同轴全息方法可以有效地测量旋转流雾化场横截面上的ＳＭＤ分布。文中描述了照明光场的特点；简要地讨论了低噪声，无孪生象的原因；介绍了全息图的显示和判读系统。完成了对１９个喷嘴、７６个截面、１６００多个采样点的测量。为密度较高的粒子场提供了有实用价值的测量结果。最后给出了Ｎｏ．１号喷嘴四个截面上ＳＭＤ分布曲线