液体轴对称抛撒破碎和雾化的实验研究

对静止空气中液体轴对称抛撒的首次破碎及二次破碎进行了实验研究,通过纹影装置获得其首次破碎及二次破碎发展过程的纹影照片,通过激光散射粒子直径测量仪获得了二次破碎所形成雾化场的Sauter平均直径(SMD)随时间和空间的分布.实验结果表明,由于"Rayleigh-Taylor不稳定性"的发展,在液体抛撒所形成液核的前端发生了具有波浪形的首次破碎,首次破碎所形成球形液体颗粒的直径与发生首次破碎的液核前端的液体薄层厚度基本相当.由于不同直径液体雾滴的速度弛豫时间的差异,导致二次破碎后的雾化场具有大雾滴在前、小雾滴在后的特征.同时,由于实验液体具有高挥发性,导致与轴线的距离超出某一范围后,二次破碎所形成的雾化场又会出现雾滴的SMD随距离的增加而逐渐减小的趋势.     

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.     

高压静电场中油液射流特性的实验研究

依据静电学和液体荷电的基本原理,分析了高压静电场中荷电油液在射流区、过渡区和雾化区的特性,提出射流长度,雾化角和液滴粒径分布是描述液体荷电射流特性的主要指标.通过自行设计和组装实验装置,分别探讨了不同电压下油液的射流长度和雾化角随电压的变化关系以及液滴粒径在电场中的分布规律.研究表明:射流长度随着电压的增大,总趋势是减小的,但在不同区域,电压对射流长度的影响不同;雾化角随电压增大到一定程度后,逐渐减小,最后趋于稳定;液滴的粒径随着电压的升高不断减小,当电压在65kV左右时,粒径较小且分布最为均匀.     

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。     

结冰风洞试验段云雾粒径测量与控制实验研究

准确测量与控制云雾粒径对结冰风洞开展试验具有重要意义。为了研究3m×2m结冰风洞的云雾粒径特性及其影响因素,应用相位多普勒飞行探头系统（PDI-FPDR）开展试验段云雾平均体积直径（MVD）的测量与控制实验,获取了不同状态下的MVD变化规律,通过综合对比分析,探索了压力、风速、温度等因素对云雾粒径的影响。结果表明:云雾粒径对喷雾系统水压、气压的变化十分敏感,且MVD与喷雾气压成反比;气流风速和温度对风洞中云雾液滴的蒸发和碰撞特性影响不明显,MVD受其影响不大,不同状态的最大相对偏差在±10%的误差范围内;MVD受风洞环境负压作用而显著减小。     

螺旋型喷嘴液滴分布特性及液滴直径经验公式的拟合

螺旋型喷嘴是压力式喷嘴的一种,它能提供细密的水雾,在工程上具有广泛的用途.笔者分析了几种常用的表征液滴尺寸的参数,用因次分析的方法建立了螺旋型喷嘴液滴直径的准则关系式,通过实验研究了TF6喷嘴的雾化液滴几种常用的直径随喷雾压力的变化规律,用最小二乘法回归了TF型喷嘴雾化粒子的几种直径(D0.1、D0.5、D0.9、D32)的经验公式.     

结冰风洞喷嘴雾化特性研究

结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到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。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴 MVD 范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。     

空气助力改善液滴雾化质量的研究

对一种新型的内混式空气雾化喷嘴进行了测量和研究,其目的是探索新型内混式喷嘴在添加空气助力下增强混合改善雾化质量的应用性能.试验采用4组不同几何结构参数的内混式空气雾化扇形喷嘴,通过马尔文激光粒度分析仪测量不同气压、不同水流量等工况参数下雾化液滴索特平均直径(SMD) D32和喷雾锥角等雾化性能参数,并对试验结果作对比分析.结果表明,水流量为定值时,SMD随着气压的增加明显减小,在0.8MPa到达极小值后趋于稳定,喷雾锥角随气压的增大先变大后减小;气压为定值时,SMD随着水流量的减小逐渐减小,喷雾锥角随着水流量的增加逐渐增大;比较不同几何结构参数,# 1-2内混式空气雾化扇形喷嘴在4组喷嘴中具有最好的雾化效果,当气压为o.8MPa,水流量为20L/h时,SMD极小值为16μm.     

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。     

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。     

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。     

冲击作用下液滴在环境液体中的变形破碎行为

采用基于液-液体系的坠落实验装置对冲击作用下单个液滴在环境液体中的变形破碎行为进行了实验研究。针对高速摄影捕捉到的5种液滴典型变形破碎模式进行了定量化考察和规律性分析。结果表明,液滴初始直径、液滴与环境液体的密度比和粘度比、界面张力系数以及坠落高度等实验参数相互组合可以得到相似的实验结果,其中We数是区分液滴变形破碎模式的关键参数。进一步研究液滴变形破碎模式与无量纲参数的依赖关系发现,在1 < We < 700、0.001 < Oh < 0.005的实验条件范围内,液滴变形破碎模式与Oh数无明显依赖关系,而在We数相近情况下,液滴变形破碎模式呈现明显的相似性。     

采用CARS试验技术与UFPV数值方法研究航空发动机燃烧室（英文）

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。     

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。     

双旋流燃烧室两相喷雾试验和数值研究（英文）

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。     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

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.     

液体燃料爆炸抛撒及云雾形成的实验研究

为了分析燃料的物理化学性质、表面活性剂对液体燃料爆炸抛撒过程的影响,进行了相关实验研究,用高速摄影机记录了不同情形下的液体燃料爆炸抛撒及云雾成长过程。实验结果表明,液体燃料爆炸抛撒过程可以分为加速运动、减速运动和扩散运动三个阶段;选用低粘度、低表面张力且具有一定挥发性的液体燃料可获得较好的爆炸抛撒及雾化效果;适量表面活性剂的加入虽不能增加燃料云雾最终扩展半径,但可使液体燃料分散得更均匀,从而更有利于爆轰的传播。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础.对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法.该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小.采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性.同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量.采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足.     

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理.工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验.实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况.所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述.