Experimental research on breakup of 2D power law liquid film

On account of limited knowledge of the breakup of power law liquid film, the process of its disintegration and atomization was studied by using a planar liquid film. A linear stability analysis was adopted to predict the breakup characteristics of the power law film. The predicting formulas of stripping breakup length and diameter of ligament were put forward presently. Through high-speed photography and laser light sheet illumination,different breakup characteristics of flat power law film under different conditions were derived. The characteristic dimension of breakup regimes were defined and extracted. The effects of several parameters(injection pressure,ambient pressure, nozzle structure and fluid property) on the stripping breakup length and spray angle were investigated. The results revealed that increasing both the velocity of liquid film and the ambient pressure facilitated the breakup of film, reduced the stripping breakup length and enlarged the spray angle in different extents. The comparison between theoretical and experimental results was conducted to validate the feasibility of the linear stability theory.

旋流作用下的液膜初始破碎可视化实验研究

利用背光照明和高速相机,对强剪切气动雾化喷嘴出口雾化进行了可视化实验研究,探究旋流中的液膜初始破碎特性及一二级旋流对液膜初始破碎的影响。唯象描述了液膜破碎过程和模式,并分析图像获得表征液膜初始破碎特性的物理量:液膜破碎长度和径向拍振频率。实验结果表明:旋流作用下液膜破碎主要为液袋破碎和液丝破碎模式,这与平面液膜相似,且受工况的影响规律也相同,但旋流作用使得破碎过程和模式叠加,更为复杂。液膜破碎长度主要由一级旋流决定,二级旋向的影响可忽略。径向拍振频率认为是由Kelvin-Helmholtz(KH)和Rayleigh-Taylor(RT)不稳定机理共同主导,且受一二级旋流共同影响;此外,在大气流流量时,同旋更有利液膜失稳破碎,即径向拍振频率更大,而小流量时反旋更利于破碎。进一步由实验数据得到拟合经验公式,两者吻合良好,且发现径向拍振频率可能与旋流数之间存在关联。最终认为旋流作用下液膜更易失稳破碎,且一级旋流决定了液膜初始破碎的基本形态,二级旋流起强化剪切和辅助作用。

液流冲击圆盘铺展及破碎特性的研究

针对难以确定制取铁合金一定粒径下的工艺参数,基于飞溅板雾化原理,引入圆盘边缘处液膜厚度和流速为中间变量,将全过程分为圆盘内铺展和圆盘外破碎两个连续阶段,在圆盘内液膜铺展阶段建立气-液两相流数学模型,在圆盘外液膜破碎阶段建立液膜表面扰动波数学模型,研究了液流流速、液流直径和圆盘直径对液膜铺展及破碎特性的影响规律.结果表明,当介质为Sn-58Bi,液流流速为3 m/s,圆盘直径为200 mm,改变液流直径为50~100 mm时,形成液滴直径为7.5~10 mm;液流直径增加或圆盘直径减小时,破碎形成的液滴直径增大;液流流速增加时,液膜破碎时刻提前,对液滴直径的影响较小.

液体横向射流在气膜作用下的破碎过程

为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程,采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究,模拟介质为水和空气.研究结果表明,液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程:柱状破碎和表面破碎.Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因,气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎,破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布.Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因,液丝和液滴从射流表面剥离.局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响,当局部动量比较低时,液体射流的破碎由K-H不稳定性主导;随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导.液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.

应用波理论预测旋转盘离心雾化膜状分裂区的粉末尺寸

应用平面和圆柱液膜破碎的波理论研究了旋转盘离心雾化膜状分裂区的粉末尺寸的预测方法;推导了最快增长的液膜破碎的波数方程,建立了旋转盘外液膜厚度与液膜径向位置的关系,并用数值方法进行了求解;计算的液膜破碎长度和粉末粒径与文献中的实验数据基本吻合,表明本文所提出的预测方法是可行的。

离心式喷嘴一次破碎与二次雾化的数值模拟

离心式喷嘴具有轴向较大的旋转速度分量,在其诱导下会产生空气芯,使得喷嘴出口处产生空心锥液膜。空心锥液膜会发生一次破碎和二次雾化,流动行为较为复杂。采用流体体积函数转换成离散相模型(VOF-to-DPM)这种结合了流体体积法和欧拉—拉格朗日方法的多相流模型,并结合自适应网格细化方法,针对双切向孔离心式喷嘴雾化流场特性展开研究。分析了空心锥液膜的产生、发展到发生一次破碎和二次雾化的全过程。结果表明:基于VOF-to-DPM多相流模型模拟所得喷嘴雾化角与实验所测得雾化角基本吻合,验证了所提数值模型的可靠性;计算过程中自适应网格的存在可以更加准确地模拟液膜的形成;空心锥液膜从发展到发生一次破碎的过程中,随着质量流量的增加而更加稳定;液膜二次雾化所产生的液体颗粒总数随着质量流量的增加而减少,且颗粒粒径大小分布更加均匀。

单液滴撞击薄液膜后冠状结构的破碎过程

为了研究液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程,搭建单液滴撞壁的光学观测系统,采用激光诱导荧光法研究单液滴撞击不同黏度薄液膜的过程。试验中采用无水乙醇作为入射液滴,丙三醇水溶液作为壁面液膜,观测液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程,根据其破碎过程的特点分为3类:飞溅破碎、孔洞破碎和混合破碎。对每种破碎类型的特性,破碎机理及破碎后形成的二次液滴的直径和空间分布进行定性描述。建立冠状结构不同破碎状态的临界数模型。研究结果表明:孔洞破碎和飞溅破碎的双重作用导致了大液滴的出现。在混合型的破碎过程中,出现直径较大的二次液滴的现象较多。液膜黏度和入射液滴韦伯数对冠状结构破碎形式有显著影响,随着液膜黏度降低和液滴韦伯数增大,冠状结构破碎过程由不破碎向飞溅破碎、孔洞破碎和混合破碎演变。

横向气流中环状流射流液膜的破碎与雾化

针对环状流射流液膜在横流中破碎与雾化过程开展实验研究。研究发现,从宏观雾化形态看,环状流射流在横流中可以实现稳定的雾化;实验给出横流作用下环状流射流轨迹无量纲关联式。采用高速摄影技术对横流中环状流射流液膜破碎与雾化瞬态过程进行捕捉,发现环状流射流液膜雾化过程具有周期性和不连续性;不同环状流状态下液膜在横流中雾化机制有较大差异;增大射流表观气速能有效提升雾化效果。

基于移动粒子半隐式方法的旋流液膜破碎过程模拟

为实现旋流初始雾化中液膜破碎过程的直接数值模拟,基于GPU(Graphics processing unit)加速和移动粒子半隐式方法(Moving particle semi-implicit method,MPS),开发了离心式喷嘴液膜破碎过程的并行加速数值模拟方法与程序,模拟了喷雾场三维形态特征和初始雾化破碎过程。模拟结果成功捕捉到了液膜形成、液膜破碎成液丝继而破碎成液滴的瞬态过程。模拟得到的雾化破碎过程与实验拍摄结果基本吻合。模拟了不同射流速度下的旋流液膜破碎过程,模拟得到的液膜初始破碎长度与经验公式计算结果趋势一致,二者吻合较好,最大误差为24.2%,模拟得到的液膜半锥角与实验值较为吻合,误差为10.6%。表明开发的模拟方法与程序的准确性,为后续离心式喷嘴的液膜雾化过程及雾化特性研究打下基础。

横向气膜作用下液体射流在近喷孔区域的破碎雾化特性

为了深入理解横向气膜作用下液体射流的破碎雾化特性,设计了一种以空气和水为模拟介质的针栓喷注单元,并通过两相流大涡模拟和背景光成像对大气环境下其近喷孔区域内的液体射流破碎过程和动态特性进行研究.通过大涡模拟液体射流的表面波主导破碎过程得到了针栓喷注单元近喷孔区域的喷雾场建立过程,亚声速气流离开狭缝后膨胀加速为超声速气流,经过液体射流上游的脱体弓形激波后减速增压.而在液体射流上下游之间的压差作用下,射流往下游发生弯曲的同时迎风面出现Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定表面波;随着表面波的发展,气流穿透表面波的波谷位置导致连续射流发生断裂.正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法可有效重构瞬时喷雾图像,POD模态表明近喷孔区域的低频和高频喷雾振荡分别由喷雾场的整体扩张/收缩过程和液块或者液雾团在迎风面的“撞击波”型运动引起,而后者的形态属于受连续液体射流断裂前的R-T不稳定表面波影响而产生的行波结构,其无量纲行波波长与韦伯数呈幂次律关系.

波形板干燥器内壁面液膜破裂临界条件的实验研究

对波形板干燥器发生二次携带现象的临界条件进行了实验研究。结合可视化实验台和平面激光诱导荧光法对波形板干燥器通道内壁面上自由下降液膜厚度进行了测量,并拟合了液膜厚度与液膜雷诺数的经验关系式,在此基础上研究了发生二次携带的临界条件。研究结果表明,横截面上下降液膜厚度不均匀,随液膜流量的增大,横截面液膜高度的极大值从边缘两侧逐渐向中心区域移动,液膜横截面的平均厚度随液膜下降而逐渐增大,且导致壁面液膜破裂的风速随液膜厚度的增大而减小。

航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性,通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验,并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质,观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化,发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响,最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质,通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度,结果表明在背压大于1.75MPa的工况下,该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构,此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力,两者都起着促进雾化的作用。

锥形空心液膜雾化特性预测模型研究

本文采用可视化测试方法对空心锥形液膜的破碎雾化特性开展了实验研究,结合高速相机与长距显微镜头,获得了喷嘴出口液膜的初始状态参数,并对喷雾液膜结构形态及瞬态破碎过程进行了捕捉,根据实验结果分析了空心锥形液膜的破碎特征;进而基于实验数据分析讨论了已有液膜破碎长度、喷雾锥角预测模型的准确性以及误差产生的原因,发现模型简化误差、经验常数的不合理选取等是模型预测误差产生的关键;随后结合多种喷嘴结构形式实验数据,以液膜出口状态参数为基础,建立了新的空心锥形喷雾初次破碎长度预测模型与喷雾锥角预测模型;发展的新模型具有更好的普适性与准确性,为空心锥形喷雾的雾化特性分析以及发展空心锥形喷雾掺混相关过程的数值模拟方法提供了参考。

压力条件对旋流槽数不同的离心式喷嘴液膜破碎及雾化的影响研究

利用粒子动态分析仪和高速摄影系统,研究不同注压下的锥形液膜流动、破碎及雾化特性,分析不同注压下液膜流动速度对液膜破碎的作用以及喷雾质量参数的变化规律,并结合相应试验数据求解了锥形液膜的色散方程,验证了注压对液膜破碎的影响。结果表明,随着注入压力增大,喷嘴流量增大,喷嘴液膜破碎长度下降,喷雾锥角先增加后趋于稳定,雾场SMD(索特尔平均直径)减小,雾滴流动速度增大,液膜切向速度对锥形液膜的作用效果显著;旋流槽数的增加使液膜速度增加,喷雾锥角减小,雾滴流速增大,雾场浓度增加且均匀性更好;通过求解色散方程得到了液膜表面波增长率,从理论的角度说明旋流槽数的增加使液膜表面波增长率增加,导致锥形液膜破碎长度减小。

脉冲爆震发动机燃料空气辅助雾化机理的研究

燃料的雾化、与空气的混合是提高脉冲爆震发动机燃料燃烧爆轰效率的前提。文中利用两相流VOF方法研究了燃料喷雾初始时刻液膜的运动及破碎过程,讨论了空气速度、气液比对液膜破碎的影响,揭示了爆震发动机中燃料空气辅助雾化的机理。结果显示,对于来流速度30 m/s、燃料喷射速度23 m/s的条件,喷雾初期燃料射流在锥形壁面上呈现连续的液膜。该液膜在喷嘴内部涡结构及燃料表面张力的影响下,在距离中心锥顶点7 cm位置处液膜开始破碎,破碎后燃料液滴的粒径与破碎时液膜的厚度满足d_D∝t^(1/3)关系。同时,针对可爆混气形成的二次雾化过程,基于大涡模拟(LES)方法,讨论流场涡和燃料颗粒运动的耦合作用。分析受到涡扩散及惯性力的作用,不同St数颗粒在流场中的分布情况。在气液相互作用中,液滴不断破碎。当初始气液比从0.5增大到3时,爆震室流场距离喷嘴出口26.88 mm位置处燃料颗粒平均粒径减小了约45%。

折流板除雾器内液滴运动和分离特性的数值研究

采用欧拉-拉格朗日方法,建立了湿法烟气脱硫系统折流板除雾器内气液两相流动模型。通过三维数值模拟,得到了不同进口气速和叶片间距下液滴的运动和捕集特性,分析了液滴间的碰撞作用、气流对液滴的破碎作用以及液滴与壁面间的相互作用对分离效率的影响规律。结果表明:进口气速和液滴粒径是影响分离效率的主要因素,小粒径液滴对气流的跟随性较强,大粒径液滴的运动主要由惯性主导;模拟中考虑液滴的碰撞作用时整体的除雾效率增大,气流对液滴的破碎作用对分离效率的影响甚微,考虑了液滴与壁面间相互作用的模型可更加准确地描述分离过程中出现的二次夹带现象。

不同接触镜填充液对角膜相关参数的影响

目的比较全视网膜光凝治疗使用不同接触镜填充液对角膜中央厚度、泪膜破裂时间的影响,以寻找最合适于该治疗的填充液。方法对50例(74只眼)糖尿病视网膜病变适合全视网膜光凝治疗,随机分别使用0.25%氯霉素眼液(湖北潜江制药厂生产)、0.8ml聚乙烯醇(湖北远大天天明制药有限公司)、1%羧甲基纤维素(美国Allergan公司生产)作为安放角膜接触镜的填充液,治疗前后测量患者的泪膜破裂时间、角膜中央厚度。结果氯霉素组与聚乙烯醇和羧甲基纤维素两组泪膜破裂时间、角膜中央厚度均有差异显著性意义(P<0.01),聚乙烯醇组与羧甲基纤维素组泪膜破裂时间、角膜中央厚度差异无显著性意义(P>0.05)。结论使用聚乙烯醇及羧甲基纤维素作为安放角膜接触镜的填充液,患者感觉舒适,术后较少引起干眼,泪膜稳定性较好、角膜水肿程度轻,有利于全视网膜光凝治疗的进行。

双油路离心喷嘴雾化特性的半经验预测方法

为了掌握主、副油路相互干涉的机制,进而获得双油路离心喷嘴雾化特性的预测工具,开展了双油路离心喷嘴的理论和试验验证研究,研究中所涉及的供油压差范围为0.05~3MPa。理论推导了双油路离心喷嘴液膜破碎长度和索太尔平均直径(SMD)的半经验预测公式,并使用了3个不同结构的双油路离心喷嘴进行了试验验证。结果表明:双油路离心喷嘴破碎长度和SMD的预测精度达到±20%。这些半经验关系式可以作为双油路离心喷嘴设计阶段的预测工具和仿真边界条件。