幂律流体气流雾化射流不稳定性分析

基于射流不稳定性理论系统研究了一个圆柱形可压缩气流喷入有限厚度的幂律流体的时间模式不稳定性.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,推导了表征轴对称模式幂律流体气流雾化射流不稳定性的色散方程.通过数值计算,分析了液相雷诺数、韦伯数、气/液密度比和速度比、气流马赫数以及幂律指数对于剪切变稀流体与剪切变稠流体两种情形气流雾化射流的不稳定性影响.结果表明:无论是剪切变稀情形还是剪切变稠情形,液体的黏性力总是抑制其不稳定性,减小幂律指数均可促进幂律流体气流雾化射流的不稳定性.随着气流速度的不断增大,由气/液相互运动导致的剪切波逐渐主导幂律流体气流雾化射流的不稳定性与破碎过程.当液相的参数保持不变,增大气流密度、气流速度以及气流可压缩性均可有效地促进幂律流体气流射流的破碎.空气动力是促进幂律流体射流破碎的有效措施.同时,对于一个小韦伯数,表面张力促进气体射流不稳定性;而随着韦伯数增大到临界值后,表面张力将会逐渐抑制其不稳定性.     

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.     

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...     

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.     

高速液体射流初始阶段的破碎

采用激光分幅全息技术观察到了直径０．４ｍｍ液体射流上的表面波从小到大，最后导致液体破碎的发展过程，本所得的基本结论是：液体在雾化初始阶段的破腑起因于扰动波，扰动波由表及里，在周向与轴秒不断发展，首先将射流撕裂成大液滴，之后再进一步破碎成小液滴。液体射流破碎后的液滴尺寸往往大于初始扰动波长。     

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．     

加热条件下液体燃料射流不稳定性的试验研究

利用自行设计的由高温高压定容系统、阴影法光学系统、数字高速摄像机和同步控制系统组成的试验系统研究了气体介质温度、气体介质密度、启喷压力和喷孔半径等射流参数对液体射流不稳定性的影响。结果表明,液体射流的温度梯度、气体介质密度、射流速度的增加和喷孔半径的减小都是液体射流破碎的失稳因素,对加热条件下液体射流的破碎有显著的促进作用。试验结果证明了由不稳定性理论所给出的预测结论的正确性,表明液体射流的不稳定性理论是研究加热条件下液体射流破碎机理的有效手段。     

液体燃料射流最不稳定频率的理论分析(2)--射流参数对最不稳定频率的影响及试验观察

利用对色散方程的数值计算结果,分析了实际射流参数如射流速度、液体种类、喷孔半径、液体粘度、介质压力等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其最大扰动增长率的影响.结果表明,在不同的射流模式下,实际射流参数对液体射流最不稳定频率的影响是不同的.并对受激液体射流现象进行了初步试验观察.     

射流参数对加热条件下液膜射流破碎不稳定性的影响(2)--射流参数对液膜对称模式破碎的影响

利用对具有温度梯度的粘性液膜射流模型进行的不稳定性计算结果，研究了实际射流参数（射流速度）气体密度，液体粘性，液膜厚度，温度梯度，液体种类等）对对称模式扰动作用下液膜射流大，小尺度破碎模式破碎特征的影响规律，并探讨了决定液膜射流破碎尺度的实际因素。     

液体燃料射流量不稳定频率的理论分析（2）——射流参数对最不稳定？…

利用对色散方程的数值计算结果，分析了实际射流参数如射流速度，液体种类，喷孔半径，液体粘度，介质压力等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其最大扰动增长率的影响。结果表明，在不同的射流模式下，实际射流参数对液体射流最不稳定频率的影响是不同的。并对受激液体射流现象进行了初步试验观察。     

射流参数对加热条件下液膜射流破碎不稳定性的影响(1)--射流参数对液膜反对称模式破碎的影响

基于线性不稳定性理论，利用对具有温度梯度的粘性液膜射流模型进行的数值计算结果，研究了射流速度，气体密度，液体粘性，液膜厚度，温度梯度，液体种类等实际射流参数对反对称模式扰动作用下液膜射流大、大尺度破碎模式的最大扰动增长率及占优波数等破碎特征的影响规律。     

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.     

加热条件下液体燃料射流破碎机理的研究

利用线性热不稳定性理论,对黏性液体射入高温气体介质模型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,研究了加热条件下轴对称模式扰动液体射流破碎机理,探讨了表征各种影响射流破碎作用力的无量纲Weber数（We）、密度比（Q）、Marangoni数（Ma）和Ohnesorge数（Z）对液体射流破碎最大扰动增长率及占优波数的影响。研究结果表明,液体和气体介质之间的温度梯度对液体射流稳定性有着非常显著的影响,表明热毛细力对于液体射流的破碎有促进作用,这种作用对处于Taylor模式下的液体射流尤为显著,并且这种热力作用可使液体射流从一种模式进入另一种模式,并可以大大改变射流的破碎尺序。     

基于X射线成像的喷油嘴内流特性试验

通过同步辐射X射线测量技术，开展了直喷汽油机喷油嘴实际针阀运动过程中的内流与液核破碎的试验观测研究．在不同X射线光源参数下对内流流场进行了连续图像拍摄，确定了最优拍摄技术方案．分析了不同喷射压力、不同喷孔结构下内流随针阀特性的变化规律，进而讨论了内流对射流液核破碎的影响．结果表明：随着针阀开度的增加，喷孔内会快速地形成挑射液流．挑射液流的宽度与喷孔入口的角度有关，与喷射压力无关．其原因与所采用喷油嘴的长径比较短有关．挑射液流会加速射流的液核破碎过程．喷孔内挑射液流的宽度增加会引起射流宽度的增大．     

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．     

针阀启闭过程近场射流破碎机理的研究

设计搭建了喷油器试验平台,采用数码相机和高放大倍数、高分辩率的长距离显微镜成像技术,对燃油近场区域射流破碎进行可视化试验.并以试验工况下的流动为研究对象,基于开源计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM对针阀启闭过程近场射流破碎进行了数值模拟.结果表明:喷油初期,针阀开启后燃油撞击喷孔内初始气泡造成近场初始射流不同破碎形态,初始气泡大小以及位置导致近场初始射流头部不同结构形态;射流表面形成不稳定的表面波以及表面波的增长导致了近场区射流初始破碎、射流与环境气体的交互作用,加速射流破碎以及液丝、液滴的形成,在射流表面液丝和液滴剥离处存在较强的微尺度湍流,该区域具有较高的湍动能和亚网格涡黏系数;喷油末期,随着针阀关闭射流逐渐收缩,最终形成较粗液丝状,并呈非轴对称摆动.     

天然气/柴油双燃料射流喷射及其相互作用试验

在定容弹上利用高速摄影纹影法开展了不同环境压力和喷射压力下的天然气/柴油双燃料高压喷射射流特性试验.通过纹影照片得到了不同喷射压力和环境压力下的射流贯穿距、射流锥角和射流面积随时间变化的规律.结果表明:随着环境压力增大,天然气贯穿距和射流面积减小,射流锥角增大;随着天然气喷射压力增大,天然气射流贯穿距与射流面积增大,气体射流锥角逐渐减小.在较高环境压力和喷射压力情况下,双燃料喷射中的柴油射流对天然气射流的发展具有促进作用.当环境压力达到0.9,MPa时,双燃料射流中的气体射流锥角比单燃料射流高出12%,,双燃料射流中的气体射流贯穿距比单燃料射流整体低了5%,左右.     

旋转气体介质对环膜液体射流破碎不稳定性影响的研究

利用线性不稳定性理论研究了旋转气体介质对黏性环膜液体射流破碎的影响。研究结果表明,无论是轴对称模式还是非轴对称模式,由液体环膜内部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的失稳因素,有助于液体射流的破碎。另外,由液体环膜外部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的促稳因素,不利于液体射流的破碎。当相同强度的旋转同时存在于内部和外部气体介质中时,对于轴对称模式,内部气体介质的影响显著,而对于非轴对称模式,则外部气体介质的影响更为明显。通常情况下,非轴对称模式的扰动增长率强于轴对称模式的扰动增长率,因此会在环膜液体射流的破碎中占据主导地位。