幂律流体液膜射流的时间不稳定性分析（英文）

基于时间模式不稳定性理论,研究了无黏静止气体中二维幂律流体液膜射流不稳定过程.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,通过对非对称模式和对称模式的色散方程的推导和求解,研究了广义雷诺数、韦伯数、气/液密度比以及幂律指数对于液膜破碎的影响.结果表明:在两种模式下,不论剪切变稀流体还是剪切变稠流体,液体的黏性和表面张力都会抑制液膜破碎,而气/液相互作用力则促进液膜破碎.而且,幂律指数越小,液膜射流越容易破碎.同时,尽管非对称模式在液膜破碎过程总是占据主导地位,但是当两种模式的最大扰动增长率的量级同阶时,对称模式对于液膜破碎也起着重要作用.     

幂律流体椭圆形射流破碎的试验研究

基于高速摄影光学试验平台,通过使用4个椭圆度不同的喷孔与两种工质,研究了幂律流体椭圆形射流形貌与破碎的特征.结果表明:与水不同,椭圆孔产生的"轴转换"不稳定现象在幂律液体中整体衰退明显;液体射流速度较小时,椭圆度对破碎长度的影响较小,而后随着射流速度的增大(小于33 m/s),椭圆度对射流破碎的促进作用逐渐增强.轴转换波长与射流速度呈现线性关系,幂律液的波长增长率随着椭圆度的增大而增大.通过试验数据修正了幂律流体椭圆射流形貌模型,并分析了椭圆度、韦伯数、表观雷诺数对于射流不稳定性的影响.     

横风下幂律燃料射流的全局敏感性分析

敏感性分析是模型参数优化的基础,可以将模型中不确定性进行量化,提升参数优化效率.将Morris方法的敏感性分析方法同流体射流不稳定性理论相结合,对横风下幂律流体燃料射流不稳定性模型进行了全局敏感性分析探究.根据循环分析计算获得的各变量的平均值、绝对平均值和标准差来判断其对射流不稳定性的影响程度以及与其他参数耦合作用强度.结果表明:气流速度与气相密度对幂律流体射流不稳定性的影响最大;液体射流速度、喷孔直径和气相密度对初次破碎尺度的影响最大;射流液体密度和表面张力系数对射流不稳定过程的影响程度较弱;液体稠度系数和幂律指数对射流过程的影响相对较强;两相速度同其他参数的耦合作用最为明显.     

幂律流体环膜射流破碎特征的试验

通过自行搭建的环膜射流试验系统,采用高速摄影技术对牛顿流体(水)与剪切变稀型幂律流体(卡波姆凝胶)环膜射流的破碎模式及破碎特征进行了试验.结果表明:牛顿流体与幂律流体都存在相同的3种射流破碎模式,且两种流体在射流破碎机理上没有本质性的差异.在3种射流破碎模式中,圣诞树状破碎模式下的射流破碎效果最佳,泡状破碎模式次之,波辅助破碎模式下的射流破碎效果最差.且射流破碎效果随卡波姆凝胶黏度的增加而显著恶化;射流的表面波波长随液体速度的增加而增加,随气体速度的增加而减小.与水相比,卡波姆凝胶射流的表面波波长受液体速度的影响更加明显.在高气/液速度比条件下,气/液剪切作用力是影响射流破碎的主导因素.基于环膜射流的理论分析结果和经验公式,提出了量纲为1波长与射流气/液速度、流体流变特性相关联的公式,式中量纲为1波长随参数T的增加逐渐增加.     

可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化机理

建立了可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化数学模型,在射流雾化过程中起控制作用的参数主要有气液速度、气液密度、气液界面表面张力、液体黏性、喷嘴直径及音速.采用线性空间稳定性分析方法详细分析了这些参数在高速射流雾化过程中不稳定性的作用.结果是：增加液体射流速度、气体密度及喷嘴直径;减少液体密度、液体黏性及表面张力,可使射流不稳定性增强.此外,当气流与液体射流反向时增加气体流速也可以使流动不稳定性增强,但当气流与液体射流同向时结果相反.气体可压缩性的增加使流动变得不稳定,但它的影响是很小的.     

超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,可压缩流动求解器求解气相,不可压缩求解器求解液相.结果表明:脉冲射流的表面破碎和液柱破碎都得到了增强,射流破碎长度显著缩短,在所研究的脉冲频率方案下,脉冲引起的不稳定性会替代Rayleigh-Taylor不稳定性,主导射流一次破碎;由于射流速度的脉动,脉冲射流的穿透深度相比于稳态射流可以提高20%,尾迹区宽度可以扩大25%,展现了更好的雾化和混合效果.     

不同环境压力下幂律流体撞击射流破碎特性

基于自行搭建的射流系统和定容弹系统,采用高速摄影技术,获得了高环境压力下幂律流体对称撞击式射流的喷雾形貌,提取了射流特征参数破碎长度L与表面波长λ,研究了环境参数(环境压力)、射流参数(韦伯数We)、结构参数(喷孔直径)与物性参数(流体黏度)对射流破碎的影响.结果表明:幂律流体对称撞击式射流共有封闭边界模式、开边界模式、无边界模式、弓形液线模式和完全发展模式共5种破碎模式;在大气环境压力下,L随着We的增加呈"双峰"模式变化;而在有环境压力的情况下,L与We则呈"单峰"模式变化;与大气环境压力相比,高环境压力更有利于幂律流体对称撞击式射流破碎;而喷孔直径与流体黏度的增大均不利于撞击式射流破碎.提出了预测幂律流体对称撞击射流破碎表面波长的破碎模型.     

同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流形态研究

采用射流线性稳定性分析方法,考虑液体黏性、周围气流的同轴旋转运动以及可压缩性的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流的数学模型,并进行了验证,研究了气流量纲为1旋转强度以及流体物性对液体射流不稳定形态的影响．研究表明：周围气流的旋转速度较小时,对射流起促稳作用,继续增大气流量纲为1旋转强度,开始对射流起促分裂作用;且随着气流旋转强度的增大,射流扰动沿周向方向发展,射流柱变的高度不对称．在研究参数范围内,气体可压缩性和气/液密度比均能促进射流的失稳,并会影响射流空间形态,尤其是在周向方向上能够改变射流的占优模式,增强射流的不对称性;液体黏性以及表面张力对射流均具有增强稳定性的作用．     

旋流喷射液滴粒径与速度数量密度分布

建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数;在此基础上,对压力旋流燃油喷射破碎液滴粒径和速度的数量密度分布特性以及碰撞和蒸发对破碎液滴粒径数量密度分布的影响进行了研究.结果表明:从液滴粒径数量密度分布角度看,存在一旋转强度,小于该旋转强度时,旋转不利于射流破碎雾化,只有超过该旋转强度后,旋转才会促进射流破碎雾化,轴向速度增大有利于射流破碎雾化;从液滴速度数量密度分布角度看,旋转总是有利于射流破碎与雾化,轴向速度增大对促进射流破碎雾化作用不明显;碰撞强度增加,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径增大方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大;蒸发强度增大或蒸发持续时间增长,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径减小方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大.     

超临界环境下的雾化过程中表面张力变化对射流稳定性的影响

通过考虑由于气液界面上存在传热过程而导致的表面张力随空间分布的变化规律,并将此影响耦合加入线性稳定性理论中,研究燃油射流在进入跨临界环境后的稳定性及破碎行为.结果表明,随温度的增加,表面张力减小的梯度逐渐增大,并非线性分布;当气液界面温度接近临界点时,表面张力快速衰减为零;考虑传热效应和表面张力变化时,最不稳定波的增长率随波的发展是变化的.分析结果将有助于理解跨临界环境下射流破碎的机理,进一步扩展现有雾化模型在实际工况下的适用性.     

液体射流在旋转气流中的雾化机理研究

对旋转气流中的空心柱形液体射流的雾化过程进行了数值模拟。结果表明：Reynolds数Re、Weber数We、空心柱内部及外部气液密度比Q和Qh及喷嘴内半径与液膜厚度比Ah，在射流的雾化过程中均起不稳定性的作用；空心柱射流内部的气流旋转强度Ea在雾化过程中加强了自由面上的轴对称扰动和非轴对称扰动；空心柱射流外部的气流旋转强度Eb削弱了自由表面上的轴对称扰动强度，却加强了自由表面的非轴对称扰动。此外，Eb的增加，能大大增加扰动种类。     

二甲醚射流雾化的不稳定性研究

利用线形稳定性理论,推导出可用来描述粘性射流表面扰动发展所满足的色散方程,并进行了无量纲化处理,利用该色散方程对二甲醚射流在正常条件和闪急沸腾条件下的不稳定性进行了研究.结果表明,在正常喷射条件下,提高射流速度和减小液体粘度可促进二甲醚射流的雾化效果,而表面张力和环境气体密度对射流不稳定性的影响则相对复杂;在闪急沸腾喷射条件下,闪急沸腾效应越明显,二甲醚射流越不稳定.     

液体燃料横向射流雾化数值模拟研究

基于混合欧拉-拉格朗日框架,采用流体体积(VOF)耦合拉格朗日算法对液气密度比为311,不同射流动量通量比q(分别为10和40)和不同气体韦伯数Weg(分别为33、470和800)下航空煤油(Jet A)射入横向气流中的雾化特性和流场结构进行了大涡模拟(LES)研究.模拟结果表明:不同工况下的射流穿透深度均与经验关系式...     

实际射流参数对加热条件下液体燃料射流不稳定性的影响

利用线性热不稳定性理论,对黏性液体射入高温气体介质所对应的色散方程进行了数值求解．利用所得到的计算结果,研究了加热条件下射流速度、气液密度比、液体黏度、温度梯度及液体种类等实际射流参数对射流最大扰动增长率及占优波数的影响规律．研究结果表明：对于加热条件下Reyleigh模式的液体射流,气液密度比、温度梯度是射流破碎的失稳因素,而射流速度、液体黏度则是液体射流破碎的促稳因素;对于Taylor模式的液体射流,射流速度、温度梯度、气液密度比是射流破碎的失稳因素,而液体黏度是液体射流破碎的促稳因素．研究结果同时证明了液体种类的改变对射流不稳定性的影响是多种因素共同作用的结果．     

高韦伯数液滴撞壁诱导的中间射流破碎现象

针对内燃机缸内附壁油膜问题,模拟液滴撞壁过程,设计开发了气体驱动单液滴高速撞击热壁面试验系统.研究了液滴高速撞壁对二次雾化的影响,同时考虑壁面温度对撞击效果的影响.结果表明,目前液滴撞壁研究的韦伯数范围多是20～1 000,而通过使用驱动气体(氮气)将小液滴加速至10.8 m/s,从而产生碰壁韦伯数高达4 057的液滴;液滴在韦伯数高达一定条件下发生射流破碎现象,热效应并不是唯一导致其产生的因素;随着韦伯数的增加,射流高度及产生的次级液滴数量也随之增加;随着壁面温度升高,发生中间射流现象时的韦伯数随之降低;在高韦伯数条件下,在远高于水的Leidenfrost临界温度时并没有明显的Leidenfrost现象产生.     

低排放燃烧室空气雾化喷嘴射流破碎特性研究

针对当前广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室中的空气雾化喷嘴,采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和流体体积法（Volume of Fluid,VOF）研究了其在流动模糊（Flow Blurring,FB）和流动聚焦（Flow Focusing,FF）模式下射流一次破碎过程的差异。结果表明：两种模式的射流一次破碎过程均可分为3个阶段,气液交界面波动阶段、射流发展阶段和射流破碎阶段;喷嘴内部回流区的演变决定了气液交界面的波动程度,流动模糊模式下射流在后两个阶段的径向速度和形态变化程度均远高于流动聚焦模式,气泡回流过程在其射流破碎阶段占据主导地位,液体管道内气泡分布位置与涡的强度呈正相关。     

射流碎裂过程的不稳定性理论研究

喷雾的应用领域非常广泛,在汽车、航空航天、军事装备等动力装置的燃烧室中,液体雾化能够明显增大液体与气体接触的表面积,使随之发生的燃烧、传质传热过程大为加强。因此,雾化机理的研究对于实际喷雾和燃烧系统的设计和改进是十分重要的。喷射射流的一级碎裂是当今国际流体与燃烧学界研究的热点和难点,对其进行不稳定性研究异常繁复,每进展一步都是难能可贵的,至今尚未完善。本文将系统研究液体喷射的多级表面波、气液交界面的瑞利波和泰勒波、表面波的时间、空间和时空模式、扰动的维数、线性和非线性不稳定性理论等喷雾理论中的深层次问题。     

基于欧拉多流体模型对喷嘴内流和射流破碎的研究

在Open FOAM的框架下,采用多流体模型和大涡模拟方法研究不同背压对喷嘴内流和射流破碎的影响.利用已修正的空化模型考虑了空化现象,利用界面压缩法对两相界面进行捕捉,进而分析燃油的一次破碎过程.结果表明:降低背压有利于喷嘴内部空化的形成与发展,但会导致喷嘴喉部有效流通面积减小,流动阻力增加,质量流量降低.射流破碎中气/液相界面处气/液两相存在很大的速度差,导致产生很强的阻力,大大促进了一次破碎过程中主喷雾区和蘑菇头的破碎.背压越高,空气密度越大,则燃油受到的阻力越大,液柱破碎越剧烈且射流破碎角越大.因此,同时提高喷射压力和背压可以促进燃油与空气的混合,也可以有效抑制空化来避免空蚀现象以及流量系数降低,从而延长喷嘴的使用寿命.     

液体燃料射流最不稳定频率的理论分析(1)--液体燃料射流的最不稳定频率及无量纲数的影响

利用线性不稳定性理论,对粘性液体燃料射流射入气体介质的射流模型所对应的色散方程进行了数值求解.利用计算结果,分析了液体燃料射流不稳定性研究中的3个最重要的无量纲参数韦伯数We、雷诺数Re及密度比Q,对分别处于瑞利模式和泰勒模式下的液体射流的最不稳定频率及对应的最大扰动增长率的影响.结果表明,在不同的射流模式下,这3个无量纲数对液体射流最不稳定频率的影响是不同的,在这两种射流模式下,射流系统具有不同的频率特征.     

多流体碱雾发生器内蒸发喷雾射流的数值模拟

通过对多流体碱雾发生器中伴随气固两相流的蒸发喷雾射流的数值模拟,得到了碱雾发生器内气液固三相的速度矢量场.计算结果表明,气体轴向速度呈中间高两头低的对称分布;对于不同粒径的液滴,呈现出不同的空间分布规律,大液滴由于惯性大,可以穿越周围的气流区,比小液滴有更大的扩展角;在喷嘴出口2倍管道直径区域,由于雾化液滴与固体颗粒存在较大的速度差,有利于固体颗粒的碰撞增湿.