喷射成形静电作用下雾化过程的理论分析

静电雾化技术可以提高喷射成形雾化质量,但由于雾化过程涉及气液固三相流、流场和电场等多场联合作用等,给试验研究带来了诸多不便.为了深入了解静电作用对喷射成形中金属液射流破碎的雾化过程影响,从理论上分析了静电作用对喷射成形雾化中射流破碎长度、雾滴表面张力和雾化液滴粒径的影响.结果表明：随着静电电压的增加,射流破碎长度将缩小,雾化液滴直径减小;当电压升高到一定值时,破碎长度和雾滴直径趋于稳定.静电力降低了液滴的表面张力,使得雾化动力相对增加,从而有助于提高雾化质量.     

限制式与非限制式结构雾化气体动力学分析

针对两种典型雾化结构:限制式和非限制式结构,对其各自的雾化气体流场进行了数值模拟.根据模拟结果,分析了两种结构雾化器气体流场的分布情况及轴线处各参数变化规律,并通过对比指出了两种结构气体行为的同异之处.结果表明:两种结构均能形成回流区,但回流区形貌不同,且限制式结构回流强度更高,回流区温度降低更明显;回流区的下方存在一个速度为0的滞止点,但滞止点并非气场中压力最大值点,压力最大值点在滞止点的下方区域,是射流中心主流的交汇点.在喷射过程中,雾化气流会以振荡形式运动,限制式结构气流振荡幅度较大,随喷射距离增加,气流的振荡减弱.     

高压无气喷涂扇形喷嘴内部流场数值模拟

采用Fluent软件提供的Lamina层流模型对相同出口结构、不同入口结构的扇形喷嘴内部流场进行数值模拟,并分析比较了不同入口结构流体的压力梯度及速度变化情况,以及出口射流速度及流量大小。研究结果表明:入口结构变化越剧烈,流场的压力梯度和速度变化越大,结构变化越平缓,压力和速度变化越平缓;出口圆柱段对射流速度的影响不大;平行形入口结构的射流速度最大,平顶形与锥形入口结构次之;新设计的具有平缓收缩功能的维多辛斯基腔体的出口速度最大,且出口流量远大于其余3种腔体,平行形入口结构流量最小。     

喷射成形二级结构雾化器的雾化过程数值模拟

针对新设计的二级结构雾化器的雾化过程进行了数值模拟.利用Fluent软件,模拟了不同压强条件下气体流场的速度、压强分布及弥散相的分布情况,并进行了实验验证.数值模拟结果表明：当主雾化器的压强为1 MPa、辅助雾化器的压强为0.5 MPa时,主雾化器雾化区域的气流速度能达到300m/s,弥散相分布对称,靠近雾化轴部分弥散相密度较大,模拟结果与实验结果基本一致,表明新设计的二级结构雾化器在喷射工艺中能够取得较好的雾化效果.     

射流搅拌流场的数值模拟分析

喷射搅拌器广泛应用于油品储罐内的调和,喷嘴入射角度和入射速度对搅拌效果有很大影响。应用计算流体软件并根据标准k ε湍流模型与 SIMPLE算法,采用单因素敏感分析法分别对喷嘴的喷射角度、喷嘴直径及入射速度的射流流场速度分布进行数值模拟分析。结果表明：喷射距离随直径的增加而加大,随速度的增加而增大,在15~60°的角度范围内,随入射角度的增加先增大后减少;储罐内的速度流场分布随直径的增加先减少后增加,随速度的增加而增加,随入射角度的增加先增加后减少;射流产生的回流范围随直径的增加先减少后增大,随入射速度的增大而增大,随入射角度的增加先增大后减小。因此,相比于喷嘴直径,入射速度和入射角度对储罐内的搅拌效果和搅拌范围有更大的影响。     

几何结构参数对喷射器性能影响的数值模拟

通过Fluent软件对CO2工质在喷射器中的流动进行模拟, 同时通过改变工作流体和引射流体的入口压力研究喷嘴临界截面直径对喷射系数的影响。模拟结果表明: 当保持喷射器的基本工作参数不变, 引射流体入口压力为一定值时, 喷射器喷射系数随喷嘴临界截面直径的减小而逐渐增大; 当保持喷射器的基本工作参数不变, 工作流体入口压力为一定值时, 喷射器喷射系数随喷嘴临界截面直径的增大而逐渐减小; 在喷射器的基本工作参数保持稳定时, 可以通过提高引射流体入口压力及工作流体入口压力2种方法提高喷射系数。     

一种合成射流压电微泵关键结构参数确定方法

为增大无阀微泵流量,改进合成射流微泵设计方法,设计一种基于合成射流压电激励器的微泵结构,并提出关键结构参数的确定方法.在合成射流激励器流场模拟结果基础上,绘制其轴线上的轴向瞬时速度变化曲线以及出口横截面上的轴向速度分布曲线,利用轴线上轴向速度稳定点以及出口横截面上轴向速度分布曲线的零点确定最佳泵腔高度和出口直径.对所选用的合成射流激励器流场进行三维数值模拟,结果表明:利用该方法得到微泵结构的最佳泵腔高度为7 mm,最佳出口直径为1.78 mm.在零背压下,当雷诺数为225、频率为100 Hz时,该合成射流微泵流量可达32.1 m L/min.数值仿真与实验对比验证了方法的可行性.利用该方法可以有效地确定该类微泵在大流量且连续稳定出流性能下的关键结构尺寸.     

合成射流与主流相互作用的数值研究

本文采用动网格技术,利用大涡模拟求解三维N-S方程,对直射流以及倾斜角为30°的斜射流进行了三维数值模拟。数值模拟结果表明:数值模拟的直射流出口速度曲线与理论速度曲线吻合较好,通过直射流与斜射流对比发现,直射流产生的涡环为对称涡环,而斜射流的为不对称涡环;直射流射流出口时均速度影响范围大于斜射流,但是其射流宽度小于斜射流射流宽度。本文还分析了射流与主流的相互作用,数值模拟了不同主流速度下射流的运动状态,结果表明:主流速度为2.0 m/s时,直射流产生的涡环受到主流的作用发生倾斜,斜射流产生的涡环由于主流的作用,变成典型的马蹄涡形式;由于射流对主流的影响,直射流对主流速度起阻碍作用,减缓了边界层及附近主流的速度,斜射流加速了主流边界层内的流体速度,使边界层速度更加饱满;随着主流速度的提高,射流产生的涡环被主流吹扫进入边界层,在壁面上发生破裂,与边界层内流体混合,射流对主流的的影响减弱。     

入口雷诺数对静压油腔承载性能的影响

基于实验和数值模拟方法,研究了入口雷诺数为840～2 449时静压油腔的承载性能.利用PIV粒子测速系统实验研究了入口雷诺数变化对油腔内部流场结构的影响,与数值模拟结果吻合良好;数值模拟了不同入口雷诺数时油腔上壁面压强和壁面剪应力的变化.结果表明:随着入口雷诺数的增大,涡的位置逐渐靠近封油边,涡的范围逐渐变大;涡心位置与入口雷诺数有函数关系;入口喷射导致油腔上壁面中心处压强出现峰值,峰值之后的压强呈恒定分布;上壁面剪应力在上壁面正对入口边缘处出现峰值会导致油膜破裂.     

模拟舰船燃机压气机级间流场的喷水雾化实验研究

压气机级间喷水是舰船燃气轮机较理想的中冷技术，而此技术的关键是产生小雾滴的雾化技术，本文给出了向模拟燃气轮机压气机级间流场喷水雾化实验研究的目的。设备，测量系统，雾化机理，实验方案及步骤，给出了在模拟燃气轮机压气机组间流场内进行的喷水的不同喷入方式，不同气流速度下雾化特性和对流场阻力特性影响的实验研究结果，通过对实验结果的分析，得出喷嘴的安装方式对压气机组间流场损失的影响及雾化效果影响的结论。     

液体雾化效果的检测及流体力学模拟

为获得一种快速灵敏的液体雾化效果检测方法,利用置于挡板后方的声发射传感器,采集液体喷雾撞击挡板产生的声信号并进行多次扫描累加的快速傅里叶变换,得到不同流量下的声能量值和功率谱图.通过对实验结果的分析,提出临界良好雾化状态的声能量判据,即随着流量的增加,当液滴撞击挡板产生的声能量趋于平稳并开始缓慢上升,雾化准数由缓慢增加转变为迅速增大以及声能量均方差开始上升并趋于平稳时,液体喷雾处于良好雾化的临界状态,进一步增大流量,雾化效果的提升不明显.同时,对雾化效果采用摄像法测定和基于Eulerian-La-grangian耦合算法的计算流体力学(CFD)模拟,结果与声发射实验的结果吻合很好,由此说明采用声发射方法对液体雾化效果进行定性检测具有较强的可行性与准确性.     

射流泵内流场的大涡模拟

阐述了二维弱可压缩流体流动控制方程和大涡模拟湍流模型.基于该模型对射流泵各种运行工况进行了一系列数值模拟计算.计算中模拟了异常边界条件下射流泵的流场特性,重点模拟喷嘴出口回流旋涡并给出了可视化描述.对不同计算网格数和大涡模拟系数对计算结果的影响也作了论述.提出的网格生成和数值模拟方法具有较高的效率,计算结果可靠.     

旋流喷嘴内部流场的数值模拟和实验研究

为了揭示旋流喷嘴内部流动机理,有效预测其外部雾化特性,采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型对旋流喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟.通过对喷嘴结构进行合理的网格划分和特殊边界条件设置,计算了喷嘴内部的速度场、压力场和空气芯的形状尺寸.分别通过激光测速仪和高速摄像仪测量出口速度、空气芯的直径和雾化半锥角,对计算结果进行了验证.结果表明,旋流喷嘴内部流动为Rankine涡结构,其雾化特性如雾化角和液膜厚度等可以通过分析出口处流场得到.     

用数值模拟方法进行脱硫塔的优化设计

基于多相流数值模拟,进行了湿法脱硫喷淋塔的优化设计研究,气相湍流由标准模型描述,喷淋液滴由确定颗粒轨道模型描述,通过对流场和温度场模拟计算得到优化设计结果是烟气入口向下倾斜15°,喷嘴采用高低位布置,在喷雾区加装环形导流分布器,可使脱硫塔流场右侧湍流强度明显增加,左侧烟气贴壁流动有所改善,脱硫塔内流场分布更加合理,塔出口温度低于优化前温度,增加气液传质、传热,提高脱硫效率。     

Spray Characteristics of Air-Assisted Injector Under Different Ambient Pressures

Spray atomization of liquid fuel plays an important role in droplet evaporation, combustible mixture formation and subsequent combustion process. Well-atomized liquid spray contributes to high fuel efficiency and low pollutant emissions. Gasoline direct injection(GDI) has been recognized as one of the most effective ways to improve fuel atomization. As a special direct injection method, the air-assisted direct injection utilizes high-speed flow of high-pressure air at the injector exit to assist liquid fuel injection and promote spray atomization at a low injection pressure. This injection method has excellent application potential and advantages for high performance and lightweight engines. In this study, the hollow cone spray emerging from an air-assisted injector was studied in a constant volume chamber with the ambient pressures ranging from 5 kPa to 300 kPa. External macro characteristics of spray were obtained using high speed backlit imaging. Phase Doppler particle analyzer(PDPA) was utilized to study the microcosmic spray characteristics. The results show that under the flash boiling condition, the spray will generate a strong flash boiling point which causes the cone shape spray to expand both inwards and outwards. The axisymmetric inward expansion would converge together and form a lathy aggregation area below the nozzle and the axisymmetric outward expansion greatly increases the spray width. The sauter mean diameter (SMD) of flash boiling condition can be reduced to 5 μm compared to the level close to 10 μm in the non-flash boiling condition.     

针阀运动和油压波动对燃油喷雾特性的影响

针对一多孔喷油器数值模拟研究了喷嘴内针阀运动和油压波动对燃油在孔内流动过程及孔外雾化过程的影响。研究结果表明,引入油压和针阀升程的变化后,喷雾形貌及贯穿距离和锥角等喷雾特征参数均与实验结果更为吻合;而将油压和针阀升程视作恒定时其喷雾贯穿距离在喷射前期明显偏大,喷雾锥角相对较小。故在柴油机模拟计算过程中要充分考虑喷嘴内油压波动和针阀运动等因素对燃油的孔内流动、雾化、混合、燃烧及有害物生成的影响。     

喷口结构对雾化流场影响规律的数值模拟

喷口结构形式对喷嘴雾化性能有重要影响,本文采用计算流体动力学方法研究了不同雾化气体压强(P0)下喷口结构对喷射气体流场及导流管顶端静压强(Pt)的影响规律,建立了紧耦合型、环缝HPGA(High Pressure Gas Atomizer)型和Laval环孔型三种喷口结构的喷射模型,并用Fluent软件进行了模拟计算.研究结果表明:三种喷嘴结构的抽吸压强及导流管顶端静压强径向梯度随雾化压强的变化表现出不同的变化趋势;Laval环孔型喷嘴在雾化压强较低时雾化性能最佳,HPGA型喷嘴在高压时雾化性能最佳;数值计算结果与试验观测值吻合较好.     

Experimental study on atomization phenomena of kerosene in supersonic cold flow

Experiments were conducted to study the atomization phenomena of kerosene jet in supersonic flow. The kerosene jet was driven by compressed nitrogen. Meanwhile, the shadowgraph and planar laser-induced fluorescence (PLIF) were used to visualize the flow field in the case of different total pressure and jet pressure. The results imply the followings: The combination of shadowgraph and PLIF is a reasonable method to study the atomization phenomena in supersonic flow. PLIF can detect the distribution of kerosene droplets accurately. Shadowgraph can visualize the wave structure. Higher jet-to-freestream dynamic pressure initiates higher penetration height and the jet column will be easier to breakup and atomize, but it also induces stronger shock waves and aggravate total pressure lost. Three-dimensional, unsteady surface wave plays an important role in making the jet break up and atomize. Higher jet-to-freestream dynamic pressure will accelerate the development of surface wave and enlarge the amplitude of surface wave, while lower jet-to-freestream ratio will inhibit the development of surface wave. Supported by the Fund for the Application of the Combination of Plif and Schlieren Methods in the Study of Mixing Enhancement by Newtype Cavity in Supersonic Combastion Field (Grant No. 10402040)     

双股射流碰撞雾化特征实验

为改善双股射流碰撞雾化器的雾化性能,基于自行搭建的射流碰撞雾化实验台,采用CCD拍摄技术,研究射流速度、碰撞角度、喷嘴出口内径和黏度对雾化特征的影响.结果表明:随着射流韦伯数和碰撞角度的增大,喷雾角增大,液滴的索太尔平均直径(SMD)减小,且液滴分布更加均匀;喷嘴内径较小时形成的液膜厚度较薄,稳定性差,喷雾角较小,在所研究的范围内,液滴的平均直径不受喷嘴内径的影响;液体黏度越大,液膜越稳定不易破碎,液膜尺寸越大,喷雾角越小,液滴的平均粒径越大;在韦伯数较小时,差异明显,而在较高的韦伯数条件下,差距较小.在进行40%浓度甘油溶液雾化实验时,观察到了液膜翻转现象,从碰撞点往下出现连续多个相互垂直的液膜.因此,增大射流速度、碰撞角度,减小液体黏度,有助于改善雾化性能.