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。     

油水两相流管道内液滴形成过程研究

油水两相流在管道中流动时会形成多种流型,其中一相形成液滴分散到另一相中是常见的流型之一,液滴粒径及其分布会影响油水两相流的流动特性,因此液滴的形成是研究油水两相流的基础。本文研究了两种白油和水在内径25.4 mm的不锈钢管道内形成的油水两相分散流,通过高速摄像系统拍摄等动量取样装置上有机玻璃样槽中流动状态下的分散流来获取液滴的图像,捕捉有代表性的过程。研究发现,液滴形成过程中剪切破碎和碰撞聚结现象同时发生,并最终达到动态平衡,宏观表现为两相流系统流动参数达到稳定,得到了液滴剪切破碎、碰撞聚结和形成稳定液滴的时间以及各过程中的液滴特性和泵对形成稳定液滴时间的影响。实验结果表明,泵的存在对油水两相分散流的特性有较大影响。     

液滴撞击平板的铺展特征

采用高速摄像仪研究了液滴在不同韦伯数和撞击角下撞击干燥平板时的铺展行为.结果表明,当撞击角相同时,韦伯数越小,液滴最大横向铺展直径也越小;韦伯数相同,撞击角越大,液滴横向铺展直径越大;在铺展和回缩过程中,环形液层外圈相对于内圈在达到横向最大铺展直径时具有滞后现象.     

液滴间相互碰撞融合与破碎的实验研究

液滴间的相互碰撞对发动机液体燃料雾化、燃烧效率及颗粒物排放的减少均有重要影响;为了探究液滴间相互碰撞后的液滴融合与破碎过程,采用高速摄影技术对液滴间相互碰撞的融合过程、融合振荡无量纲宽长比变化历程、破碎过程以及液体物性参数对碰撞破碎的影响进行了分析。结果表明,液滴间相互碰撞后主要呈现融合振荡与破碎两种运动形态;对融合振荡形态而言,两液滴间的碰撞速度及初始无量纲尺寸比越大,融合后液滴振荡的宽长比的最大值越大;对破碎形态而言,两液滴间的碰撞速度越大、初始无量纲尺寸比越小以及大液滴的表面张力越小,液滴发生破碎的时刻越小。研究结果可以为改善发动机缸内雾化,增大气/液间的接触面积,强化气/液间传热传质提供理论依据。     

撞击流中颗粒旋转特性

搭建了研究撞击流中颗粒旋转特性的气固两相撞击流实验台,使用高速摄像机拍摄一个截面为0.15 m×0.08m的撞击区域内固体颗粒的运动。利用所搭建的实验台设置了单喷口和双喷口两种实验方式来研究颗粒旋转影响因素,得出撞击流内颗粒的旋转特性。结果表明:固体颗粒在气相中运动过程一直伴随着其自身的旋转;气相场对颗粒转速的影响较小,可忽略不计;相同实验条件下,颗粒直径越小其转速越大;颗粒以及气相速度越大,则固体颗粒在碰撞后的转速越大,当加速气相速度为25 m·s-1,氧化铝陶瓷直径为0.003 m时,颗粒碰撞前后转速差平均值可达280 r·s-1;颗粒间碰撞过程中,颗粒相对运动偏置角度对转速变化影响很小。     

撞击流中颗粒旋转特性

搭建了研究撞击流中颗粒旋转特性的气固两相撞击流实验台,使用高速摄像机拍摄一个截面为0.15 m×0.08 m的撞击区域内固体颗粒的运动。利用所搭建的实验台设置了单喷口和双喷口两种实验方式来研究颗粒旋转影响因素,得出撞击流内颗粒的旋转特性。结果表明:固体颗粒在气相中运动过程一直伴随着其自身的旋转;气相场对颗粒转速的影响较小,可忽略不计;相同实验条件下,颗粒直径越小其转速越大;颗粒以及气相速度越大,则固体颗粒在碰撞后的转速越大,当加速气相速度为25 m·s^-1,氧化铝陶瓷直径为0.003 m时,颗粒碰撞前后转速差平均值可达280 r·s^-1;颗粒间碰撞过程中,颗粒相对运动偏置角度对转速变化影响很小。     

速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响

通过可视化实验研究了直径为2.58 mm的液滴在不同速度下撞击静态接触角为156°超疏水壁面后的运动特性,其液滴Weber数在8~310之间。实验利用光学原理在同一画面上同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴撞击壁面的速度对液滴的前进角、后退角,三相接触线的速度以及液滴反弹后的空中运动特性都有较大的影响;液滴高速撞击超疏水壁面后会产生明显的液指及多组卫星液滴,回缩阶段相邻的液指发生聚并直至液滴完全回缩。     

立体传质塔板CTST喷射特性的研究

立体喷射型塔板的喷射状况对气液两相接触面积有重要影响。在直径570 mm的冷模实验塔内,采用高速摄像仪对CTST的喷射过程参数进行了实验研究,并且基于不稳定波动理论建立了液滴群平均粒径的计算模型。结果表明:喷射孔气速是影响喷射锥角的关键因素,随着喷射孔气速的增加喷射锥角逐渐增大,当喷射孔气速超过7.5 m?s-1时,喷射锥角趋于恒定,其数值稳定在55°左右。随着气速的增加喷射孔处液膜速度显著增大,而液体流量增加时液膜速度略有减小,越靠近喷射孔顶端液膜速度越大。喷射区域内液滴的分布密度接近于Rosin-Rammler分布,在喷射锥角为[20o,40o]区间内的液滴数量比较集中,随着气速和液体流量的增大,液滴分布密度逐渐趋于均匀。液滴群平均粒径随气速的增加而减小,随液量的增加略有增大。正常工作范围内,液滴群平均粒径为1.0~2.5 mm。     

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。     

对置液柱撞击液膜破裂特征

采用高速摄像仪对两液柱撞击产生液膜的破裂过程进行了实验研究。分析了撞击液膜的破裂过程及表面波产生和传播过程,考察了射流直径、喷嘴间距和射流Weber数（We）对撞击液膜破裂的影响;定量分析了液膜表面波频率的变化及液膜破裂后的粒径分布情况。研究结果表明,液膜表面波传播频率随We的增大而增大,并沿液膜径向方向逐渐减小;随着射流We的增加,液膜边缘的液滴脱落频率增加;当We>1000时,液膜表面产生大量液滴团,且液滴团对液膜破裂具有促进作用;液柱撞击液膜发生破裂后90%以上的量纲1液滴粒径分布在0～1之间。     

界面物性对液滴聚结的影响

推导了分散相液滴运动轨迹模型和分层二相流基本流模型,并优化了计算方法。直接数值模拟结果表明：当层膜厚度和板宽变化时,流场的密度、黏度以及界面张力对界面处的液滴的作用方式不相同;黏度始终对液滴聚结产生明显的影响,而密度和界面张力对聚结的影响却因流场结构的变化而有所不同;密度、黏度及界面张力的变化使得液滴的顺时针或逆时针旋转运动更加具有倾向性。因此,密度和黏度在一定程度上可用于改善流场的聚结条件。数值模拟的结果与已知的实验结果吻合较好,而且,基本流的介入使得该模型能较好地反映液滴在分层二相流流场中的运动特性。     

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。     

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。     

非中心入射流旋转圆盘水跃现象的实验与模拟

针对非中心入射流旋转圆盘,设计了利用高速摄像系统记录液膜流动的旋转圆盘装置,对圆盘表面的流体流动现象进行了研究。利用VOF（Volume of Fluid）多相流模型,建立了非中心入射流旋转圆盘进口区域气液两相流模型,并与实验测量结果进行对比,模拟值与实验值的平均相对误差为9%,证明了CFD模型的准确性。随后通过CFD方法分别研究了进口流量和圆盘旋转速度对非中心入射流旋转圆盘进口区域水跃现象的影响,结果表明在进口旋转方向前方,进口流量越大,圆盘旋转速度越小,水跃半径越大,水跃现象越明显;在进口旋转方向后方,进口流量越大,水跃半径越大,而随着圆盘旋转速度的增加,水跃半径先增大后减小。对进口旋转方向后方的水跃半径与进口流量和旋转速度的关系进行拟合,得到相关经验关联式,拟合值与模拟值的误差范围在15%以内。     

DSMC方法在大规模气固两相撞击流中的应用

将直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法应用于颗粒数目庞大的大规模气固两相撞击流的数值模拟研究,旨在解决基于拉格朗日法模型难以模拟含大量颗粒碰撞的多相流问题,建立了气固两相撞击流的数理模型。应用所建立模型计算分析了撞击流中的气相流动、颗粒运动、颗粒及颗粒碰撞位置分布;并对模型中考虑颗粒碰撞和不考虑颗粒碰撞时,计算获得的颗粒运动行为、停留时间以及对气相的影响等结果进行了对比分析。结果表明：经发展,DSMC方法能够有效地应用于大规模气固两相撞击流的数值研究;颗粒运动区域可分为颗粒碰撞区、颗粒射流区和颗粒发散区;颗粒碰撞主要发生在颗粒碰撞区内,使得颗粒在该区域富集,且明显缩短颗粒在撞击区的停留时间;在所研究的较小固气比条件下,颗粒的存在对气相流动的影响不显著。     

柴油液滴撞击壁面运动形态及变化历程的实验研究

液滴碰壁是液体射流过程中的重要现象,对喷雾效果有重要影响。采用高速摄影方法对柴油液滴撞击壁面的运动形态及变化历程进行了研究;根据获取的撞击壁面后不同时刻液滴的运动形态和参数,对液滴撞击壁面的运动过程、铺展运动无量纲润湿长度的变化历程、飞溅运动发生的临界撞击速度以及壁面材料对液滴撞击壁面运动的影响等进行了分析。通过研究,获得了柴油液滴撞击壁面时的运动特性及规律。     

水滴与聚氧化乙烯液滴撞击荷叶表面的实验对比分析

为探究荷叶表面的液滴撞击行为规律,本文利用高速摄像机以14000帧/秒的帧率分别记录水滴和4种不同相对分子质量的聚氧化乙烯（polyethylene oxide,PEO）水溶液液滴竖直撞击荷叶表面的动力过程,其撞击速度为0.3~3m/s。实验结果表明,水滴与低相对分子质量（5×10⁴）的PEO液滴撞击荷叶表面的行为现象相似,两者随撞击速度增加依次有规则反弹、向上发射卫星液滴、不规则反弹（或部分反弹）、液滴破碎和液指断裂分离小液滴等现象发生,但水滴的接触时间更短,最大铺展系数也更小。中等相对分子质量（3×10⁵）PEO液滴在低速和高速撞击时分别为振荡弹起模态和振荡模态,临界速度为1.13m/s。高相对分子质量（1×10⁶、4×10⁶）的PEO液滴,其高分子长链与表面交互作用显著增强,表现出很强的黏性,撞击后反弹完全被抑制,均黏附沉积于荷叶表面;液滴发生沉积的临界Oh数为0.0544,且Oh数越大,液滴越难发生反弹。速度一定时,相对分子质量3×10⁵以上的3种PEO液滴的最大铺展系数均小于水滴;三者的上升系数随速度增加先减小后保持基本稳定或略微增加。     

微小通道内低Reynolds数液-液两相流动与换热特性实验研究

实验研究了圆形微小通道内液-液两相流的流动和换热特性。选用去离子水为分散相,高黏度二甲基硅油为连续相。通过处理高速摄像所拍摄的可视化图像,总结了液-液两相流流型和液滴的长度/形状特征。并在此基础上考察了低Reynolds数下液-液弹状流对微小通道的换热作用。结果表明,平均Nusselt数随着Reynolds数的增加而增加,且油水比越大传热系数增加幅度越明显。Nu随着含水率的增加而降低。虽然含水率增加会使两相平均热容量提高,但在低Reynolds数下,这种提高被其长液滴内较弱的循环强度所抵消。选用三种不同形式接头在相同混合速度和含水率的情况下生成不同长度的液滴,发现短液滴更有利于换热。相同工况下,液滴长度的优化可以使整体传热系数提高近26%。     

液滴撞击亲疏水间隔条纹表面

在高温高压环境下,将线切割成特殊形状的铝片镶嵌在树脂表面,再通过CuCl₂溶液对铝表面腐蚀,利用硬脂酸无水乙醇溶液的恒温水浴,进行表面修饰,适当处理得到亲水区域与疏水区域共存的复合表面。采用高速相机记录了液滴撞击水平与倾斜表面的动力过程,实验结果表明：液滴撞击水平放置的亲疏水复合表面时,其铺展过程与液滴撞击单一润湿性表面相似,但收缩行为差异化明显。液滴在亲疏水间隔表面收缩时,液膜会因亲疏水性并存而产生高度差。液滴撞击倾斜亲疏水复合表面时,液滴撞击的速度越大,其在斜面进行的位移量越大,速度过大的情况下液滴不会被宽度为20mm的斜面捕获;当速度为定值,Oh数越小,液滴跨越的亲疏水段越多,Oh数过小的情况下液滴不会被斜面截留;其他参数不变,比值系数H越小,液滴更易被斜面捕获。     

油水两相分散流液滴粒径预测模型

油水两相分散流的液滴粒径及其分布在很大程度上影响管路压降等流动参数,研究液滴粒径预测模型对揭示油水两相流的流动特性具有重要意义。通过研究湍流脉动动能与乳状液的界面能之间的平衡、管流径向速度脉动与摩擦速度之间的关系以及泵的剪切作用,建立了油水两相管流中分散相液滴粒径预测模型;在水平管道上对油水两相分散流的液滴特性进行了实验研究,采用高速摄像和显微镜拍摄获得液滴数据,探索含油率、流量和温度等因素对粒径的影响。预测模型计算结果与不同流量、温度和含油率条件下的实验数据吻合较好。根据预测模型计算了有泵和无泵情况下分散流液滴粒径,发现泵的剪切和扰动作用使得分散液滴具有更小的粒径,泵对液滴粒径及其分布起到了显著作用。