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.     

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。     

气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

报道了在国内首次实现的矩形激波管内气/液界面上(即Atwood number,A1)的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象.实验在一台垂直矩形激波管中进行,得到了较低马赫数(M=1.36和1.58)下,多元扰动R-M不稳定性后期阶段气泡和尖钉高度对时间的增长规律,即气泡高度hb~t0.55±0.01,尖钉高度hs~t.当激波马赫数从1.36增加到1.58时,气泡和尖钉高度对时间的指数规律没有发生明显改变,气泡的增长速度没有受到影响,而尖钉增长速度却有大幅度的增加.同时还观察研究了多元扰动R-M不稳定性中典型的气泡竞争现象.     

检验液体晃动等效力学模型的两种试验方法

一、引言推进剂晃动是大型液体火箭稳定系统设计的一个基本因素。通常采用便于稳定分析的“弹簧——质量”等效力学模型来研究贮箱中液体运动对火箭的影响。等效力学模型的基本思想是:只保持由液体运动引起的、作用在贮箱上的总力、总力矩和动特性一致,不考虑液体运动特点和作用在贮箱上的压力分布。由于等效力学模型是在理想液体、无挡板、小扰动     

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.     

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。     

流动聚焦中锥形和射流直径影响因素的实验研究

介绍了一种制备微纳米量级颗粒的流动聚焦技术,它的最基本特点是从毛细管流出的液体由高速运动气体驱动经小孔聚焦形成稳定的锥,锥顶端射出的微射流因不稳定性破碎成小颗粒.实验在自行设计的装置上完成,分析了流动聚焦技术中影响锥-射流以及颗粒形貌的因素,总结了过程中装置的结构参数以及气体压力降、液体流量和物性等流动参数对射流直径的影响.结果显示该技术制备的颗粒单分散性好,直径达到微米和亚微米量级,在工业方面有重大应用前景.     

基于SPH方法的三维液体晃动数值模拟

采用SPH方法对棱形液舱在外加激励作用下,不同充液比工况所对应的舱内液体晃动进行了三维数值模拟,并将其与实验进行对比,两者吻合较好,同时成功地模拟出液体晃动产生的波浪翻卷和破碎,进而验证了SPH方法在求解三维液体晃动问题的准确性。分析结果表明:液舱的充液比及晃动周期对于液体的晃动特性及舱壁的压力有重要的影响,在大充液比情况下,迟滞特性所表现的双峰特征消失。     

高超声速圆锥边界层不稳定性及转捩实验研究

在马赫数为6的条件下,利用红外热成像和高频脉动压力传感器（PCB）对前缘半径2 mm、半锥角7°的圆锥模型进行了边界层稳定性及转捩实验研究。实验结果表明,在常规高超声速风洞流场中圆锥三维边界层存在定常横流涡、低频和高频不稳定波;有迎角条件下,低频（15～50 kHz）和高频（210～340 kHz）不稳定波同时存在,圆锥边界层更容易发生转捩。随着迎角的增加,定常横流涡“条带”结构更加清晰,模型尾段的转捩阵面向迎风面移动,低频和高频不稳定波振幅增大、频带范围变宽;同一迎角下,增大单位雷诺数,低频、高频不稳定波和定常横流涡更早地出现并增长至饱和,且伴随着不稳定波的振幅增大和频带变宽,其中低频不稳定波比高频不稳定波更早出现。     

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。     

液体圆柱射流在气流中的破碎特性实验研究

本文采用高速相机对低速横向气流作用下的圆柱射流表面波发展及液柱断裂和破碎进行观察研究。实验喷嘴为直射式,孔径为1mm,长径比为20。工质采用水和空气;工况为:温度293K,液体射流速度为2~20m/s,雷诺数为2400~22400,横向气流速度为10~40m/s,气流韦伯数为1.6~25.6,液气动量比为5~127。高速相机帧幅为2000,曝光时间为16s。通过实验观察到横向气流气体韦伯数的变化导致射流破碎形式呈现不同形式变化,液体射流的无量纲表面波波长与气流韦伯数的-0.31幂指数方成正比;主液柱断裂点沿横向气流方向的距离随着液气动量比的增大而减小,而沿初始射流方向的距离随液气动量比的增大而增大;断裂后产生的液滴在沿横向气流方向的速度分量为横向气流速度的0.1倍左右,而沿初始液体射流方向的速度分量先呈现出与液气动量比线性增长关系,直到其变为射流初始速度的0.8倍左右并保持在这一水平。在上述研究基础上,本文拟合了低速射流表面波的波长与气流韦伯数间关系式以及射流破碎位置、射流轨迹及液柱断裂产生液滴的速度与射流初始条件间的数学关系。     

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。     

毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术,毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法,展示了完整的测试平台,介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时,给出了同轴界面的拍摄方法,可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中,探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下,研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响,并基于光的折射定律,对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中,考察了射流长度随振幅的变化,建立了尺度率关系,探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律,为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。     

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。     

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。     

航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心(CARDC )开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。