撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明：随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

撞击流内液滴碰撞后续发展行为

为了探索撞击流内液滴碰撞后续发展行为,设计搭建了由激光点光源和高速数码摄像机构成的高速数码摄像系统及气液两相撞击流实验平台。利用高速数码摄像系统记录下同轴对置气液两相撞击流中液滴碰撞导致的融合聚结或二次雾化过程,通过处理记录下的液滴运动过程图像,分析了进口液滴粒径、速度、黏度以及液滴碰撞角度等对撞击流中液滴碰撞结果的影响规律。结果表明:随着进口液滴粒径和速度的无限增大,液滴碰撞后最终发生炸裂;进口液滴黏度越小、表面张力越大、Ohnesorge数越小,液滴碰撞后越容易破碎;在本实验条件下,液滴同轴同向运动发生碰撞时,液滴碰撞后全部聚结,当液滴以一定角度发生斜碰时,碰撞后发生拉伸断裂,而当液滴同轴相向运动发生碰撞时,液滴碰撞后可能发生反射分离也可能炸裂。     

液滴碰撞液膜复合level set-VOF法的数值分析

液滴碰撞液膜现象广泛存在于化工领域中。采用CLSVOF法建立了液滴碰撞液膜数值模型,并开展实验验证了模型的准确性。通过分析结果,研究了碰撞速度对液滴运动形态的影响,揭示了液滴内部流动传热和飞溅机理,并探索了液滴撞击液膜动力学和传热特性随碰撞速度的变化规律。研究表明:液滴碰撞液膜后随碰撞速度的增加依次呈现出波动、皇冠射流和射流飞溅等形态;碰撞速度越大,射流飞溅特征越明显。碰撞中心区域较大的压力梯度是液滴铺展的主要原因;铺展边缘较大气液压差是产生射流的主要原因;射流区域内速度间断是皇冠射流发展的关键因素;空气剪切及毛细波的作用是射流颈部收缩和产生飞溅的关键。碰撞速度越大,液滴的铺展系数、无量纲射流高度和壁面最大平均热流密度越大,无量纲液面中心相对高度越小;随着液滴雷诺数的增加,壁面最大平均热流密度的碰撞速度效应逐渐减小。     

剪切变稀流体中液滴运动的研究

采用VOF方法,基于非牛顿流体的流变模型对剪切变稀流体中液滴的运动进行数值模拟。结果发现剪切变稀流体中液滴的上升较稳定,上升速度前期增长较快,后期趋于平缓,轨迹呈直线型;单液滴初始半径r越大,上升过程中产生的形变越明显;溶液的稠度指数k越大,液滴上升的速度v越小;幂律指数n越大,液滴上升的速度v越大,k的作用效果比n效果明显。     

高气液密度比的传热相变复合模型

为研究两相流动中热量传递机制,基于格子Boltzmann热模型及大密度比模型,将相变源项引入到控制两相密度分布函数中,来描述温度场对气液相变的影响,提出了一个可以描述气液密度比达到2778的传热相变复合模型。通过对压力速度分布函数的回归修正克服了气液密度比过大造成的数值不稳定问题。模拟了溴化锂水溶液中双气泡的上升运动过程及周围的温度场分布,研究发现:双气泡上升时,碰撞前上方气泡温度高于下方气泡,碰撞时,两气泡间液桥打开,发生热量传递,气泡内部温度变得均匀;双气泡体积先减小再增大,碰撞时体积达到最大值,在融合成一个气泡后体积逐渐缩小,最终趋于稳定;初始气泡的体积越大,气泡上升过程中的速度越大。     

高气液密度比的传热相变复合模型

为研究两相流动中热量传递机制,基于格子Boltzmann热模型及大密度比模型,将相变源项引入到控制两相密度分布函数中,来描述温度场对气液相变的影响,提出了一个可以描述气液密度比达到2778的传热相变复合模型。通过对压力速度分布函数的回归修正克服了气液密度比过大造成的数值不稳定问题。模拟了溴化锂水溶液中双气泡的上升运动过程及周围的温度场分布,研究发现：双气泡上升时,碰撞前上方气泡温度高于下方气泡,碰撞时,两气泡间液桥打开,发生热量传递,气泡内部温度变得均匀;双气泡体积先减小再增大,碰撞时体积达到最大值,在融合成一个气泡后体积逐渐缩小,最终趋于稳定;初始气泡的体积越大,气泡上升过程中的速度越大。     

流体振荡器气泡碎化特性数值模拟

为了探究流体振荡器中气泡碎化特性，采用重整化群(RNG) k-ε湍流模型和流体体积函数(VOF)多相流模型研究流体振荡器中的气液两相流。通过数值模拟分析了气泡在流场中的变形和破碎行为，考察不同流动参数对气泡破碎的影响。同时进行可视化实验，用实验结果验证了模拟的准确性。结果表明,流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置。振荡频率越高，流体振荡器中的气泡碎化效果越好；随着液速增大，气泡变形程度加剧，破碎概率增加，生成子气泡也越多；剪切应力和涡流碰撞是导致气泡破碎的主要机制；射流振荡促使气泡向振荡腔壁面偏移，气泡初始直径越大，水平偏移量越大，越容易发生破碎。     

液液静电雾化特性

对水静电雾化弥散于玉米油的液-液雾化过程进行了实验研究。通过拍照对雾滴形态进行了观察。观察表明,不同电压下液-液雾化会呈现出滴状和云状雾化两种较为典型的雾化形态,在两种形态下液滴具有不同的形貌和运动特点,本文给出了两种雾化形态的出现条件及特征描述。通过Winner99颗粒图像分析仪及雾滴尺寸的分布理论,对不同静电电压下雾滴直径的分布规律进行了定量分析。研究结果表明,液-液静电雾化中雾滴的直径分布服从Rosin-Rammler分布规律。随着电压的升高,雾滴直径分布趋向均匀,雾化细度得到改善。与在空气中雾化有所不同,液-液雾化中雾滴分布的概率密度曲线峰值两边呈现出显著的不对称性,小液滴数尺寸分布较窄而大雾滴数的尺寸分布较宽。随着电压的升高,大雾滴尺寸分布有所变窄,概率密度曲线趋近对称。     

液滴碰撞倾斜热壁面数值模拟研究

为了研究液滴碰撞复杂热壁面过程中液滴的铺展特性和传热特性,文中基于FTM(Front-Tracking Method)方法对液滴碰撞倾斜固体热壁面过程进行了模拟研究,通过改变壁面倾斜角度、表面张力系数σ,从压力场、流场、惯性力、表面张力等角度对换热现象进行分析和研究。结果表明:液滴撞击倾斜壁面时,在液滴下滑方向一侧三相点处热流密度取得最大值;壁面倾斜角度越大,液滴铺展程度越低,传热减弱;σ影响液滴中后期的铺展特性,σ越大液滴最大铺展系数越小,且回缩越迅速;由于传热大部分发生在液滴碰撞壁面初期铺展阶段,所以σ对液滴与壁面间传热特性影响较小。     

压力式喷嘴雾化过程气液传质性能

对压力式喷嘴雾化过程气液传质性能进行了研究,考察了CO₂-H₂O、C₂H₂-H₂O、O₂-H₂O、CO₂-paraffin系统中液体对气体的吸收速率。液体雾化压力越大,液体对气体的吸收速率越快,而液体最终浓度与液体雾化压力几乎无关。对单液滴进行受力分析,推导出了液滴运动速度与时间的关系式,并针对CO₂-H₂O体系计算了不同液体雾化压力下液滴速度的变化,结果表明,液滴速度衰减很快,在0.6 s内液滴趋近其终端速度。基于渗透模型推导出液滴内浓度变化方程,在不同气液体系中将模型计算值与实验结果进行对比,相对误差都在20%以内。     

下倾管段塞流液塞速度特性研究

为探究段塞流液塞在下倾管中的耗散规律,利用段塞产生器和电导探针数采系统对液塞的速度演变规律进行了试验研究。结果表明:液塞在下倾管运动过程中由于液塞前方气泡渗入将发生耗散,当耗散作用明显时,液塞速度减小;液塞初始长度、下倾管倾角和表观气速对液塞耗散程度的影响体现在液塞形态改变和液塞速度上:液塞初始长度大或表观气速小时,液塞速度慢,利于耗散;倾角大时,液塞速度较快,但液塞形态变化大,综合而言,液塞耗散受形态变化影响更大;液塞尾部速度总是大于头部速度,且差值随液塞初始长度和表观气速的增大而增加;相同表观气速下,液塞头尾速度差值越大,液塞耗散越快,且耗散主要发生在头部。     

气液逆流接触过程及液滴夹带特性

为了探究喷淋塔内气液逆流接触流动特点及液滴夹带特性,采用激光粒度仪及湿法等动取样对实验模型内液滴粒径分布及含液率进行测量,并结合高速摄影技术对喷淋液层气液两相流动特性进行跟踪拍摄。结果表明:根据气液逆流接触特点可将液层流动分为波动区、破碎区及夹带区;截面气速及液相体积流量的增大使得气液间作用力增强,夹带液滴粒径减小;由于碰撞作用双层喷淋下夹带液滴粒径相对于单层喷淋下较小;液滴在上行过程中运动复杂且多变,液滴的不规则运动及气相流场的复杂性是造成夹带区内液滴粒径分布波动的主要原因;定量得出气液逆流接触过程受气相夹带液滴粒径分布范围,研究结果可为喷淋塔内传质及传热过程提供参考,同时可为除雾器的开发提供设计依据。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

空气雾化喷嘴的液滴雾化性能实验研究

采用LSA-Ⅲ型激光粒度仪对一种常用的小流量空气雾化喷嘴的液滴雾化性能进行实验研究。实验主要测定了不同气液比、气相压力和液相压力情况下沿喷雾轴向不同位置处的液滴粒径分布。测定结果表明气液比和气相压力对雾化液滴粒径影响均较大,其中气相压力影响最大,气液比其次,液相压力影响最小。在本实验测定条件下,经过喷嘴雾化后在轴向100、200、300、400和500 mm位置处液滴的表面积平均直径（SMD）和体积平均直径（D43）出现波动性变化。通过对实验测得液滴粒径分布数据的分析,可以得到Rosin-Rammler分布函数中的特征参数和n,为定量计算液滴粒径提供理论基础。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击受热枫桦木炭化表面的实验研究

通过模拟实验研究了水滴及含4% 氟表面活性剂(AFFF)液滴分别撞击室温和加热枫桦木炭化表面的碰撞动态过程。实验中加热枫桦木表面温度为124.7℃,纯水滴初始直径为(2.4±0.1)mm,含4% AFFF液滴初始直径为(1.8±0.1)mm,液滴滴落高度为15~40 cm。采用Photron Fastcam高速摄影仪记录液滴碰撞的动态过程,拍摄帧数为2000 fps。研究结果表明:水滴撞击枫桦木炭化表面后飞溅液滴数、最大铺展因子都随着水滴撞击速度的增大而增大。纯水滴撞击加热枫桦木炭化表面4 ms后迅速飞溅形成次生液滴,小液滴滚动蒸发聚合成一个大液柱,大液柱起伏多次后形成一个小液柱停留在枫桦木表面。而含4% AFFF液滴撞击受热枫桦木炭化表面时,液滴碰撞后与木材发生良好浸润现象。     

大液气质量流量比双通道气流式喷嘴雾化滴径

在气流式雾化过程的有限随机分裂模型基础上,结合液滴分裂时间和液滴运动规律,分析了大液气质量流量比同轴双通道气流式喷嘴的雾化过程,得到了Sauter平均直径（SMD）的一般表达式.实验结果表明,得到的SMD的关系式的形式是合理的,通过实验确定相关模型参数后,可以用来预测大液气质量流量比条件下同轴双通道气流式喷嘴的雾化性能.     

基于VOF-DPM的气体辅助式污泥雾化破碎的数值模拟

为实现污泥雾化破碎的数值模拟,探究污泥雾化特征和操作参数对污泥雾化效果的影响,在污泥雾化试验平台试验的基础上基于Fluent软件对污泥在气体辅助式雾化器的雾化破碎进行模拟研究,模拟结果确定了污泥的雾化特征和最优操作参数。通过耦合流体体积法(VOF)与离散相模型(DPM),对较大的液体团采用VOF方法直接求解,对小液滴采用双向耦合的离散相模型进行追踪,能最大程度地提高计算的准确性。结果表明,污泥的密度和黏度随着含水率升高逐渐降低,气体速度、气液比和雾化角度是影响污泥雾化破碎的最重要的三个操作参数。在雾化过程中,中心区域的雾滴密度大于边缘区域且有少量大颗粒的聚集。对于含水率为87%、密度为1.065×103 kg/m3的污泥,在风速为180 m/s,气液比为126.3,雾化角度为55°时雾化效果最佳,雾滴颗粒的平均粒径约为0.193 mm,试验结果与模拟结果的颗粒粒径吻合度较好,最大相对误差为5.80%。     

旋流管内液相动态行为的可视化研究

为探究旋流管气液分离过程,采用激光粒度分析仪和高速摄影技术对其内部液相动态行为进行可视化研究,结果表明:在具有结构参数梯度的两级导叶协同作用下可实现对不同粒径液滴的分级分离;壁面液膜形态与入口气速密切相关,在低入口气速下,在壁面无法形成环状液膜,随着入口气速在合理范围内不断增加,形成的环状液膜沿壁面逆流排出,完成逆流排液方式的气液分离过程;当入口气速高于17.5 m·s~(-1)时,形成的液膜以"螺旋液带"的形式螺旋上升至排液侧缝,完成顺流排液方式的气液分离过程;在旋流场中进行的有效气液分离动态过程可理解为液相"捕集—破碎—再捕集—再破碎"的良性循环机制,且"子液滴群"和"初始液滴群"共同制约分离效率。     

气液两相流中液滴识别及体积计算

气液两相流形态受到两相性质、气流和壁面等条件的影响，通常液滴在空间上的分布结构丰富多变，使得在空间中识别液滴及计算液滴体积变得十分复杂。为解决这些问题，将带有噪声的基于密度的空间聚类算法(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN)和光滑粒子流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamics Method, SPH)结合使用。该结合方法可利用DBSCAN算法来解决液滴识别问题，并使用SPH方法计算液滴体积。经过对比验证，计算结果表明，该方法可以正确识别气液两相流中液滴数量及其体积计算，计算结果最大误差不超过真实值的2.2%,相较于目前已有的体素法更优，并且适用于液滴大形变情况。通过对横向射流雾化过程计算分析，表明该结合方法可以正确反应液体破碎的雾化程度及雾化效果。