低合金高强钢焊丝熔滴过渡形态及飞溅分析研究

利用高速摄像系统对自主研发低合金高强钢焊丝焊接过程的熔滴进行拍摄,分析整个焊接过程中的熔滴过渡模式与飞溅产生机理,研究合金元素与焊接热输入对焊丝的熔滴过渡形态产生的影响。试验结果表明,焊接过程中出现了滴状过渡、短路过渡、射滴过渡3种熔滴过渡模式与电弧力引起的飞溅、爆炸飞溅、熔池偏飞、颗粒偏飞4种飞溅形式。合金元素含量改变了熔滴的物理化学性质,焊接热输入改变熔滴的受力与熔滴熔池形态,从而改变了焊接过程中熔滴过渡与飞溅形式。通过综合比较分析,发现#3焊丝的焊接过程电弧最稳定,飞溅最小。

挑流喷溅水滴的数论分档随机喷溅数学模型

挑流泄洪雾化时,水舌与下游水垫塘的碰撞会喷溅大量随机运动的水滴,它构成了喷溅水滴运动的初值问题,基于数论方法在选点较少的情况下仍然有较好的均匀性的思想。本文提出了数论分档水滴的概念,通过数论方法对水滴进行分档,并将高维相空间降维到一维相空间来计算,建立了水滴数论分档随机喷溅数学模型。对比其数值解和高精度解的结果表明:在计算水滴数相同时,本文数学模型的误差最小,随着水滴数的增加,其误差减小的也最快并迅速接近高精度解。因此,水滴数论分档随机喷溅数学模型不仅能够用更少的水滴获得更高的计算精度,而且能够实现高维初值相空间降维到一维相空间的简洁表达。

喷溅水滴在白噪声激励下的运动特性

针对溅抛水滴在水舌风场的随机运动机制的科学问题,基于布朗运动的机制,提出运动于坝下游空间的挑流喷溅水滴,会受到大量气体分子的碰撞而产生随机力的物理思想,建立水滴运动随机微分方程,并应用量纲分析方法,获得了扩散系数的数学表达式,进而确立了水滴随机运动数学模型。应用该模型计算得到了随机力作用下水滴运动速度和运动轨迹的变化规律;并对溅水实验进行了数值模拟,计算得到的喷溅范围更接近于实验观测值,验证了水滴随机运动数学模型的正确性。

喷墨液滴撞击疏水表面的溅射现象研究

为研究喷墨打印中液滴撞击疏水表面时产生的溅射现象,本研究进行了液滴撞击实验和有限元模拟。通过调控液滴速度得到沉积和溅射两种撞击结果,使用有限元法对撞击过程进行分析,发现液滴铺展前沿部分存在惯性力、黏性力和表面张力的局部竞争关系。据此进行量纲分析,得出无量纲系数K的形式,通过数据拟合得到由沉积转向溅射的临界值K=107.5。研究结果表明,密度、直径和速度的增大会导致惯性力的增大,促进溅射;表面张力的增大会促使液滴回缩,抑制溅射;黏度的增加会使黏性耗散增大,从而削弱惯性力,抑制溅射。利用此规律可以推导出定量打印的最大安全速度,在保证印刷质量的同时提高打印效率。

液滴在柔性辣椒叶片表面撞击行为研究

液滴撞击叶片时会使叶片发生弯曲变形,这种变形会对液滴的撞击行为产生影响。基于前人液滴撞击刚性表面的理论模型,探究了液滴撞击柔性辣椒叶片时叶片弹性系数对液滴撞击行为的影响,考虑叶片弹性势能、液滴和叶片重力势能,建立了液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子数学预测模型。以液滴粒径、撞击速度、撞击点到叶尖距离占比为试验因素,对数学模型进行了合理性验证。结果表明:3个因素对液滴粘附和飞溅均有显著性影响(P<0.05)。数学模型对液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子预测误差在10%以内,但此误差会随着叶片弹性系数的增加而减小。液滴撞击柔性辣椒叶片没有发生反弹,和理论模型预测结果一致。液滴粘附时,叶片弹性系数与液滴达到最大扩散的时间呈负相关,与撞击刚性固定叶片相比,达到最大扩散的时间增加量在0.5 ms以内,最大扩散因子减小率在25%以内,传递给叶片弹性势能占初始总能量的比随着叶片弹性系数的增加呈现先减小后增大趋势。液滴飞溅时,在到叶尖距离占比的20%、40%、60%、80%处,与刚性叶片相比,飞溅临界值Kcrit分别增加16.202%、10.515%、6.508%、4.467%,说明叶片越靠近弹性系数小的区域,液滴越不容易飞溅。本文为液滴在柔性植物叶片上的撞击行为研究和喷雾参数选择提供了一种方法。

油滴与高温固体壁面碰撞的流动与传热及飞溅特性

考虑油滴(油膜)/固体壁面接触角动态变化和油液热力学特征参数受温度影响,基于流体体积法建立了油滴与高温固体壁面碰撞的三维流动与传热数值计算模型,通过试验验证了数值计算模型的正确性。基于数值计算模型,分析了油滴碰撞高温固体壁面后的流动与传热及飞溅特性,以试验和数值计算结果为基础,建立了描述油膜铺展/飞溅临界判据。结果表明:油滴碰撞高温固体壁面后的状态与碰撞条件有关,破碎、飞溅有利于油膜的铺展流动;二次油滴是油膜边缘破碎产生的油带断裂而成,大直径二次油滴分裂为小直径油滴;随油膜铺展进程,壁面平均热流密度增大,而油膜的径向热流密度则逐渐减小;增大碰撞速度、油滴直径和润滑油温度,有利于油膜的破碎与飞溅,二次油滴数量和下飞溅角均随之增大。

Q350EWR1高耐候钢脉冲MAG焊接飞溅控制与电弧稳定性研究

为优化Q350EWR1高耐候钢的脉冲MAG焊接工艺。通过在开启脉冲宽度调制(PWM)反馈的条件下,借助高速摄影和记录仪观察电弧的形态以及焊接电流和电弧电压波形,调整不同送丝量的熔滴脱落时机和熔滴过渡的一致性。找出最优的脉冲频率、脉冲上升斜率、脉冲下降斜率、脉冲峰值、脉冲基值,保证焊接电弧的稳定性,有效控制飞溅量,节省焊材且提高了焊接生产效率。并在松下GS6焊机上得到应用,为Q350EWR1高耐候钢的焊接工艺提供了参考依据。

液体非线性晃动实验与数值模拟

本文对圆柱容器中液体非线性晃动进行了实验测试,利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术检测了腔内液体流动状态,定量表征了速度场和涡量场随时间的变化,揭示了腔内的复杂流动结构,获得了液面的非线性晃动特征,发现了波形破碎、液滴飞溅同激励频率的相关性。通过对竖直激励晃动的数值模拟与分析,得到液体运动的液面位置,取得了与实验结果相符的计算结果。应用Fluent软件对液体晃动瞬态过程和特征进行数值模拟研究,开展了大攻角的俯仰晃动数值计算,结果表明,俯仰晃动的频率越大,腔体受力越大。本文为充液飞行器飞行控制和总体设计提供了理论依据和优化方法。

过冷大水滴运动和撞击特性数值模拟

为了更准确地模拟过冷大水滴在结冰部件中的撞击特性,基于LEWICE模型和Trujillo模型的过冷大小滴撞击模型,以NACA23012翼型为研究对象,通过Fluent软件的二次开发功能,考虑大水滴运动中变形以及撞击中反弹/飞溅的影响,对过冷大水滴的运动和撞击特性进行数值模拟,并将计算结果与NASA的试验数据进行对比。结果表明:当过冷水滴的MVD值较大时,相比于LEWICE模型和Trujillo模型,结合两个模型计算得到的翼型表面局部水收集系数的计算结果和撞击范围都更贴合试验数据,绝大部分计算结果和试验数据的误差在10%以内;MVD值越大,局部水收集系数值的计算结果和试验值越贴近。

单液滴撞击薄液膜产生二次雾化过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究单液滴撞击薄液膜的动力学行为.在二维轴对称坐标系内,采用VOF方法与网格局部瞬时加密技术相结合,跟踪液滴和液膜与空气间的气液两相界面.结果表明,液滴撞击薄液膜的演化行为主要受液滴初始动能、表面张力以及液体黏性的影响.初始动能越大,则形成的空间液膜最大高度越大,达到稳定状态越晚,飞溅开始时刻越早,飞溅生成的二次液滴数量也越多;在扩展后期及回缩阶段,空间液膜的形成主要受液体黏度影响,增加液体黏度会阻碍空间液膜飞溅;表面张力增大,形成的空间液膜高度减小、厚度增加,同时阻碍二次液滴的生成.

单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究不同尺寸单一液滴碰撞常温多孔介质内壁面时的运动与变形行为.界面跟踪采用基于VOF的体跟踪模型,简化的多孔介质结构应用孔隙网络模型.主要考查了初始液滴碰撞动能、表面能及液滴与多孔介质内壁面相对尺寸大小对液滴碰壁现象的影响,分析了液滴在多孔内壁面上形成液膜、液膜延展碰撞喉道壁面及飞溅破碎等过程的动力学特性.计算结果表明,液滴在多孔介质内的碰壁与在碰撞空间内大平壁的碰壁有很大差别.由于多孔介质结构特性,液滴碰壁后,除了通常的附着成膜和飞溅等情况外,还可能出现液膜沿壁铺展并跃出边界,从而在喉道内发生空间二次雾化现象;甚至还会发生子液滴与其他壁面进行二次碰撞并进一步雾化的现象.液滴初始动能越大,则孔穴内表面的油膜越薄,飞溅形成的子液滴越小,数量越多,分布越广.这些都为促进燃料-空气均质混合气的形成,改善发动机的燃烧与排放特性提供了条件.

液滴撞击湿润壁面的运动形态及飞溅运动机制

壁面液体层的存在对液滴撞击壁面的运动具有重要的影响.采用气液两相流动相界面追踪的水平集和流体体积复合方法和壁面润湿模型,实现了液滴撞击湿润壁面运动的数值求解;在此基础上,开展了液滴撞击湿润壁面运动的研究.研究结果表明:液滴以不同速度撞击湿润壁面时,会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等几种不同的运动形态,液滴撞击湿润壁面后的压力分布是不同运动形态形成的主要原因;飞溅运动是一定条件下皇冠几何体运动的一种特殊形态,液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细破碎理论;撞击速度对分离液滴的运动方向影响较小,而对壁面液体层厚度的影响则较大;撞击速度和壁面液体层厚度对分离液滴形态、飞溅分离位置、飞溅速度以及飞溅发生时刻等都具有一定的影响.

双液滴同时垂直撞击液膜数值研究

应用数值法对双液滴垂直撞击液膜的动力学行为进行研究.采用VOF法结合网格局部瞬时加密技术捕捉气液两相界面.主要讨论了液滴韦伯数和液滴间距对碰撞演化过程和飞溅特性的影响,给出演化过程中包括二次液滴数量及尺寸等特性参数的变化规律.结果表明,双液滴撞击液膜,除了会生成皇冠形水花外,还会出现水花相撞形成的中心射流.在研究范围内,中心射流产生的二次液滴尺寸比皇冠形水花处生成的液滴尺寸小,中心射流破碎较早,所以二次液滴平均尺寸初始阶段增长较快,后期变化较慢,近似呈现线性增长.

双液滴垂直碰撞等温壁面过程分析

采用VOF方法模拟了多孔介质中垂直放置的2个正庚烷液滴垂直撞击壁面的过程,研究了韦伯数、雷诺数、壁面尺寸及圆心距等因素对双液滴碰壁现象的影响,分析了双液滴碰壁过程液滴碰壁、液滴间相互碰撞、相溶、铺展形成附壁液膜、形成皇冠形空间液膜及液膜破碎等过程的动力学特性.分别对比了只改变其中1个参数的情况下,皇冠型空间液膜高度和附壁液膜高度的变化.结果表明:在其他参数不变的情况下,分别增大We,Re,d0/H以及减小d0/s,飞溅的二次液滴数量明显增多,皇冠型空间液膜高度都有不同程度的增大,对附壁液膜高度也有不同程度的影响.

液滴撞击壁面的飞溅运动

飞溅运动是液滴撞击壁面运动的一种重要形态,对液滴碰壁的后续运动具有重要的影响.采用气液两相流动相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和壁面润湿模型,进行了液滴撞击壁面飞溅运动的数值求解.根据液滴撞击壁面时的能量守恒关系,建立了液滴撞击壁面飞溅运动临界条件的理论模型,并给出了液滴撞击壁面后是否发生飞溅的判据.采用数值方法对液滴撞击壁面发生飞溅运动的机制进行了研究,结果表明,液滴撞击壁面后产生倾斜向上且脱离壁面的射流以及射流液体局部毛细波波长大于毛细破碎临界波长是发生飞溅现象需要满足的两个重要条件.

直喷汽油机喷雾碰壁特性实验研究

本文采用折射率匹配方法,在非蒸发环境下研究喷雾碰壁后形成油膜的质量、面积和厚度变化特点,获得油膜在不同容弹压力和喷射压力下变化规律并分析其原因。通过Mie散射方法,研究与上述相同工况下喷雾碰壁后油束变化规律,并与RIM实验结果进行对比。实验结果表明,容弹压力对喷雾碰壁后油膜的形成有重要作用,容弹压力较低时,油膜质量、面积和最大厚度随喷射压力的升高而减小;容弹压力较高时,油膜质量、面积和最大厚度随喷射压力的升高而增大。

用液滴碰壁模型对波形板汽水分离器的模拟

分析了不同参数的液滴碰壁后各参数的变化 ,应用液滴碰壁模型对波形板分离器内进行了二维数值模拟 ,计算出不同液滴直径在同一入口条件下的分离效率 ,得出液滴开始发生沉积和完全沉积的临界速度 ,并计算出发生飞溅的液滴比例 .计算结果表明 ,发生飞溅现象时 ,液滴的直径已不在波形板内液滴直径分布的主区域内 .

高度对色斑法测量雨滴粒径影响的试验研究

以前的色斑法雨滴率定只考虑色斑直径与雨滴真实粒径的关系,忽略了高度对率定的影响。在大量试验的基础上,通过回归分析,得到了以色斑直径和高度为变量的率定公式。研究表明,水滴下落高度小于5 m时需考虑高度的影响;高度大于5m时,高度的影响可以忽略。通过相关性分析,公式的拟合性较好,对以后的色斑法测量雨滴粒径有指导意义。

水滴撞击飞溅效应对过冷大水滴结冰影响研究

过冷大水滴(SLD)结冰的结冰量较大、位置靠后且容易形成复杂冰型,对飞机气动性能和飞行安全具有更大危害性。在结冰过程数值模拟的基础上,针对SLD条件下水滴撞击的飞溅效应及其对成冰过程影响进行研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解N-S方程获得空气流场,运用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的Messinger热力学模型进行翼面结冰模拟。对SLD结冰,采用飞溅碰撞模型,分析了水滴飞溅现象及其对SLD结冰过程的影响,完成了典型翼型结冰算例的数值模拟和分析讨论,与参考文献和试验结果的对比,说明了文中计算模型及计算方法在模拟SLD结冰的撞击飞溅效应时是可行和正确的,获得的影响规律和结论对于深入研究SLD结冰具有重要的参考价值。

粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律研究

为研究表面粗糙度对水滴撞击飞溅特性的影响,在不同温度、不同粗糙度表面条件下开展了水滴撞击飞溅动力学实验。实验通过高速摄像机,观察记录了水滴撞击不同粗糙度表面时,飞溅子液滴的直径、反射角度与速度等信息,由此分析了表面粗糙度对水滴飞溅特性的影响规律。研究结果表明:在一定撞击参数K范围,子液滴直径主要受粗糙度的影响,表面越粗糙,子液滴平均直径越大;粗糙度对子液滴法向和切向速度的影响呈现出相反的规律;子水滴无量纲角度与粗糙度St呈现正相关,尽管在St>0.1时,温度影响开始出现,但相比粗糙度仍然是小量。