液池深度对水滴撞击水面后形态特征影响的实验研究

用实验方法对液滴撞击液面后的形态特征及其机理进行了研究。用高速摄像机记录了不同液池深度下的液滴撞击液面过程,总结出了在不同阶段出现的液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象。基于计算机视觉算法开发了图像处理程序,实现了特征几何参数的自动提取。讨论了液池深度、韦伯数、初始液滴直径和液滴下落高度等因素对特征运动形态的影响。结果表明：在韦伯数一定的情况下,当液池深度跨越某个临界值时,液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象发生显著变化;液冠–液坑高度比随韦伯数的增大在一定范围内增大;中心射流能否分离出次生液滴与液池深度和初始液滴直径有密切的关系。     

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。     

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.     

液滴撞击液面形成的液坑形态特征及其重力势能分析

用高速相机拍摄了不同直径的液滴（纯净水）以不同速度撞击不同深度液池的过程,对液坑的形态特征和规律进行了分析。液池较深时,当液坑体积达到最大时,其形状基本为半球形;液池较浅时,受池底限制,液坑不能充分发展,体积达到最大时,形状呈被横切掉底部的半球形。液池较深时,生成的液柱较粗且低,分离出的次生液滴较少;液池较浅时,液柱较高且细,分离出的次生液滴较多。无量纲液坑最大水平长度和无量纲最大深度均随韦伯数增大而增大,液滴直径越大,无量纲液坑最大水平长度和最大深度越小;液池较深时,无量纲液坑最大水平长度和最大深度随液池深度减小而增大,然而,当液池浅至一定程度时,无量纲液坑最大水平长度和最大深度却明显减小。对已有的液坑重力势能模型进行了扩展,并据此分析了液坑重力势能的变化规律,研究发现:液坑的重力势能随液滴初始动能增大而增大;液池较深时,液坑重力势能随液池深度减小而增大;液池较浅时,液坑重力势能与液滴初始动能的比值更低。     

超声速气流中液体横向射流空间振荡分布建模

针对超声速气流中液体横向射流的空间振荡分布特性开展试验研究,建立射流/喷雾在纵向和三维空间内的振荡分布预测模型。试验在Ma2.1下吹式风洞中进行,采用脉冲激光背景成像方法和基于PIV原理的倾斜成像方法分别捕捉纵向和不同横截面上的喷雾瞬态分布结构,涉及的研究参数及其变化范围包括:超声速来流总压（642~1010kPa）、液体喷孔直径（0.48~2.07mm）、距离喷孔的流向距离（10~125mm）以及液气动量比（0.11~10）。通过研究,提出并定义一种用于定量描述射流/喷雾空间振荡分布的无量纲参数——喷雾分数（γ）,基于喷雾分数开展了纵向喷雾振荡分布研究,建立了纵向边界带模型,并开展了模型准确性验证。研究并发现了横截面上喷雾振荡分布呈"Ω"型,提出spray body和spray foot的分区概念,构造egg-shape曲线对spray body区域的喷雾分数等值线进行拟合,建立了egg-shape曲线方程中6个关键系数的系数模型,进而建立了超声速气流中液体横向射流空间振荡分布预测模型。     

液滴高速撞击低温壁面的动态特性及破碎机理研究

为研究液滴撞击低温壁面的动态行为,运用高速阴影法对韦伯数（We）在533～1630之间的单液滴撞击常温壁面（22 ℃）与低温壁面（?30～?10 ℃）进行可视化试验。试验结果表明:液滴以一定速度撞击低温壁面时,会发生即时破碎和冠状破碎,二次液滴飞溅明显;但液滴以相同速度撞击常温壁面时,未出现液滴破碎现象。随着壁面温度的降低,液滴撞壁破碎所需韦伯数减小。在壁面温度为?30 ℃时,液滴撞击铝合金板的破碎临界韦伯数降低至480左右;当We < 480时,即使壁面温度低于?30 ℃,液滴也不会发生撞壁破碎。当液滴撞击常温壁面时,液滴快速铺展,并且韦伯数越大,液滴铺展和回缩的速度越大,液滴的铺展因子越大。该研究可为液滴撞击低温壁面撞壁模型的建立提供参考。     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

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。     

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。     

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。     

斜出口合成射流组流场特性犘犐犞实验研究

提出了斜出口合成射流组的概念,应用PIV相位锁定技术对典型单缝、双缝和三缝斜出口合成射流组非定常流场结构进行了测试,并对出口间距比参数变化对斜出口合成射流组沿壁面的动量输运影响特性进行了探讨。结果表明:三缝斜出口合成射流组具有更强的沿壁面动量输运特性,具有更高的合成射流激励器能量利用效率。相邻射流出口间距比是影响斜出口合成射流组动量输运的重要参数,研究结果指出当间距比犛/犎=3.0时,斜出口合成射流组具有较强的沿壁面动量输运特性。     

水滴变形及其对阻力特性影响的实验研究

为了探索飞机结冰研究中水滴撞击过程的变形行为发生机理和本质特征,提高结冰数值模拟的精准度,利用高速相机对水滴加速运动过程的变形现象进行了实验研究。通过研究,定义了水滴变形过程的4个典型形态,分析了水滴变形与各无量纲量的关系,拟合了水滴变形后的阻力系数曲线和计算式。研究表明:水滴在气动力作用下会发生显著的变形现象,依次历经圆球形、椭球形、半球形、圆盘形4种典型形状;水滴的纵横比随韦伯数(We)的增大呈线性减小,随邦德数(Bo)的增大呈双曲线减小;水滴变形会导致其阻力系数增大,在Re=500左右时,水滴阻力系数曲线开始脱离球形阻力系数曲线,逐渐增大至接近圆盘形阻力系数曲线,这与其变形过程一致。     

内冷通道横流对气膜冷却效率的影响

在吹风比(Br)为0.5~2.0、横流比(Cr)为0~3.0范围内,采用数值模拟方法研究了内部冷却通道横流对单排圆柱形气膜孔气膜冷却特性的影响。相比于基准的无横流进气方式,横流进气诱导冷却气流在气膜孔内形成旋流流动,使得气膜射流与主流的相互作用更为复杂。横流比的影响在不同的吹风比下有较大差异:在较小的吹风比下,横流比小于1.0的气膜绝热冷却效率略高于无横向进气的基准情形,而横流比大于2.0的气膜绝热冷却效率相对基准情形有一定幅度的下降;在较高的吹风比下,横流进气带来气膜绝热冷却效率的增强,横流比为2.0的气膜绝热冷却效率相对较高。在大横流比下,随着吹风比的增加,气膜在展向的覆盖范围明显扩大。     

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.     

液晶显示的单孔冲击冷却传热特性

本文利用胆甾型液晶加热膜复合体显示表面换热的特性,对单孔射流冲击冷却,分别在改变孔靶间距比、射流流量和加热功率的条件下,通过试验取得了一系列的热图像,对有横流的单孔冲击冷却,也做了类似的试验。从而利用液晶温色效应获得温度场和高分辨率的对流换热系数等值线谱图形,即传热表面的换热特性。在单孔冲击冷却试验中,还观察到了双峰的热显示图像。     

超声速来流中的支板辅助喷注掺混特性研究

采用Reynolds-averaged Navier–Stokes（RANS）数值方法研究了马赫数2.95超声速横向来流中的支板辅助燃料喷注掺混特性。在射流与横向来流动量比7.7工况下进行了数值模拟,并与无支板的普通壁面喷注工况进行对比。研究结果表明:产生于支板前缘的诱导激波被观测到汇聚于分离激波,在支板辅助喷注工况下,反转旋涡对（CVP）结构更多,边界层内燃料扩散速度更快、射流穿透更深,最终体现为在未增大流动压力损失的前提下,支板极大地提升了燃料混合效率。此外,还阐述了支板对燃料–空气混合增强的作用机理。