超声行波驱动的玻璃表面液滴运动数值模拟

针对液滴铺展和移动的动力学行为在工业生产和微流控芯片等领域有着重要作用,提出了一种基于超声行波理论的弹性体平板驱动模型,利用压电陶瓷的逆压电效应在弹性体玻璃产生超声行波从而驱动液滴运动。借助多物理场软件COMSOL建立液滴模型,首先进行行波分析,验证了驱动液滴的可行性。在0~60 ms中,液滴在超声行波的驱动下进行收缩-铺展的正弦振荡运动。然后通过液滴内部流场结构分析发现,当液滴半径铺展到最大后开始收缩时,液滴与基底接触面处的速度首先发生变化,表明液滴内部速度场的变化对接触线是否发生移动有着重要作用。液滴内部流场存在一个类似于椭圆形的漩涡,说明液滴运动不是单纯由于收缩-铺展而引起的平动,而是滚动着朝前运动。最后分别探讨了液滴移动速度与驱动电压、驱动频率以及动力黏度的关系,结果表明液滴移动速度受动力黏度影响较为显著。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术,对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟,揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时,射流会随着时空演化逐渐失稳,而当大于临界值时,表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构,在其表面留在冲击凹痕;随着波节振幅不断增大,液膜发生穿孔式破裂,进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动,从而减缓射流的雾化进程;射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小,且两者存在相互耦合。     

剪切流场中分散相液滴行为研究

目前乳化液破乳机理研究领域对剪切流场作用下分散相液滴行为的研究仍存在一些需要解答的问题.通过设计内外筒反向旋转剪切实验装置,结合数字图像处理技术,从实验角度进行了系统研究.实验数据显示液滴在剪切流场中发生三维力学变形,通过提出液滴形变非仿射度和综合变形度的概念,对液滴变形规律及其机理进行了相应的实验及理论探讨.同时,通过新颖可靠的测量方法,探索了液滴变形过程中内外流场压差的变化规律,数据显示液滴内外压差变化显著,且影响液滴形态.此外,还对剪切流场中液滴的变形过程进行了数值模拟,结果与实验及理论符合较好.提出了一套系统的液滴模型描述方法,为今后精确液滴变形形态数学模型的建立打下基础.     

偏二甲肼液滴燃烧特性及影响因素实验研究

设计了一套密闭环境液滴燃烧实验系统,开展了不同实验工况下偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)环境中的着火燃烧实验,详细分析了UDMH单液滴着火燃烧特性,考察了燃烧室温度、压力、液滴初始直径及速度对燃烧过程的影响。结果表明,液滴燃烧经历了初始燃烧阶段,剧烈燃烧阶段和熄燃阶段3个过程。其中,初始燃烧阶段和熄燃阶段的持续时间均较长。燃烧过程中,燃烧火焰呈现出明显的双火焰峰结构,内层为规则的椭圆形分解火焰峰,外层为带有尾迹火焰的扩散火焰峰。增加燃烧室温度促使液滴表面与内部的燃料快速蒸发,形成了充足的燃料蒸气环境,有助于液滴的着火燃烧;燃烧室压力的增加加快了反应速度,减少了液滴生存时间;增大液滴下落速度导致液滴表面蒸发流率得到增强,更易产生足够的燃料蒸气,促进燃烧的进行,从而有助于液滴生存时间的减小。     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为,及其对发动机燃烧和传热的影响,进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验,使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况,包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度,证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果,分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型,并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析,通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比,验证了该模型具有更高的准确性。     

复杂构型水滴收集率的拉格朗日计算方法

为了完善拉格朗日法在求解三维复杂外形液滴收集率的过程中存在的普适性缺陷,发展了一种鲁棒且高效的三维收集率计算方法。该方法中采用基于非平面交叉判定的粒子定向查找算法,实现了多面体网格下的水滴快速定位功能。基于笛卡儿网格自适应和壁面网格投影技术,克服了复杂迎风面收集率计算的困难。对比传统求解方式,具有算法复杂度低、计算效率高的优势。同时,利用径向基函数插值技术,改进了三维壁面收集率的表征方法。通过典型算例测试,计算结果与实验值误差均在15%以内,且在同等计算精度的条件下,计算所需的水滴轨迹数大幅减小。验证了该方法具备较高的准确性和良好的鲁棒性,能够为飞机结冰机理研究以及防除冰系统设计提供参考。     

小尺度空间内对撞射流雾化场特性实验研究

为了研究小推力液体火箭发动机燃烧室的喷雾燃烧特性,设计了小尺度模拟燃烧室和对撞射流喷嘴,利用多普勒相位粒子动态分析仪(PDA),观测了对撞射流在小尺度空间内的喷雾,重点观测了喷雾压力对于雾化特性参数的影响。实验结果表明:测量截面与喷嘴的距离越远,液滴平均直径越大,轴向速度越小;测量点到中心轴的距离越远,液滴轴向速度越小,径向速度波动越大;喷雾压力越大,液滴平均直径越小,轴向速度越大。由于受到壁面的影响,径向速度的周向分布在不同的喷雾压力下和测量点位置上的差异不明显;模拟燃烧室内液滴平均直径大于大气环境下的液滴平均直径,两者差值随着喷雾向下游发展而增大;模拟燃烧室对于液滴轴向速度影响较小,而对于液滴径向速度影响较明显。     

考虑自然对流的厚交换层液滴蒸发模型及其检验

两相模型对航空发动机燃烧室数值模拟的准确性至关重要,液体燃料的蒸发特性是两相模型的一个关键因素,为了得到准确合理的两相模型从而为燃烧室的设计提供依据,采用悬滴法实验研究了甲醇、煤油及航空煤油液滴在静止环境下的高温蒸发现象,并得到了液滴蒸发速率随环境温度的变化规律。比较实验数据与已有液滴蒸发模型计算结果,发现二者具有较大差距,分析认为已有模型应该考虑静止环境中自然对流对液滴蒸发的影响。在前人工作基础上,用考虑自然对流浮升力因素的厚交换层理论对静止环境下液滴的高温蒸发进行理论推导,得到新的蒸发模型。采用本文实验结果及文献液滴蒸发实验数据对新模型进行了检验。对于甲醇和煤油,在本文的实验工况下,新模型计算结果与实验结果具有较好的一致性,与实验的相对偏差不超过20%;对于煤油,新模型计算结果与文献实验结果的相对偏差不超过10%。     

液体射流首次破碎的直接数值模拟及动力学过程分析

为探究液体射流破碎的失稳和首次雾化过程,结合使用VOF(Volume of Fluid)界面流模拟方法和有界压缩格式,对以30m/s的速度进入静止空气的射流进行了直接数值模拟。计算捕捉到了射流破碎引起的液丝和液滴和复杂流场结构的演化过程,以供开展动力学特性研究。研究分析了射流头部和液柱核心的形态变化过程,考察了射流与周围空气两相之间的相互作用机理。分析指出射流前锋最先受到扰动,在空气动力作用下产生液丝和液滴,同时将扰动借助气相和液相两种介质向上游传递,对射流的破碎进程产生促进作用。随着射流失稳和破碎程度加深,流场高度紊乱,使得气液混合程度进一步提高。揭示了射流首次破碎时头部抽丝的动力学机制,以及液丝在周围气体影响下演变并产生液滴的若干机制。     

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性,本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构,考虑气液双向耦合,采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程,采用大涡模拟计算气相流动。结果表明,该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合;初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大,初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。