锥射流模式下乙醇静电喷雾液滴速度特性分析

研究液滴在静电喷雾下的速度特性是理解喷雾形态的形成及演化的关键.结合锥射流模式下乙醇静电喷雾实验数据,建立了静电喷雾二维轴对称模型.基于离散相液滴运动方程、连续相空气运动方程、电场方程以及用户自定义函数,进行了数值求解,获得了锥射流模式下的乙醇静电喷雾形态、空间电场分布以及液滴速度场分布.考虑了不同空气入口流速的影响,得到了乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态的变化规律.结果表明,喷雾外围液滴与空气流场有较强的相互作用,导致喷雾中轴线附近的液滴速度分布变化较小,而在喷雾外围处的液滴速度分布沿径向剧烈变化;随着空气入口速度的增大,乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态先趋于发散,当空气入口速度大于喷雾外围液滴轴向速度时,喷雾形态则趋于聚拢.因此,除改变施加电压、液体流量和电极结构外,通过控制空气入口速度来影响喷雾液滴速度场,也可获得不同的静电喷雾效果.

静电喷雾轴对称锥射流模型与数值模拟

为研究静电喷雾锥射流形成及其影响因素,结合静电喷涂喷油刀梁,建立了静电喷雾二维轴对称锥射流物理模型,基于电流体动力学连续性方程、动量方程和电势场方程以及边界条件,运用Matlab结合有限差分法对其数学模型的控制方程进行了迭代数值求解,得到了静电喷雾锥射流形状、锥射流内、外部电场分布及锥射流表面电场强度。计算结果表明:锥射流喷射流量和表面张力越大,形成的锥射流直径和锥顶端也越大;锥射流内部,径向电势和电场强度均逐渐减小,轴向电势逐渐增大,电场强度基本保持不变;锥射流外部,径向电势保持不变,轴向电势均匀变化;流体介质的喷射流量和表面张力与锥射流表面法向电场强度均呈反比关系,而对锥射流表面切向电场强度基本没有影响。

微尺度锥射流雾化模拟分析

为合理选择微型荷电喷雾燃烧器的结构设计和工作参数,基于新设计的微型毛细管电极–环形电极–网格双电极荷电喷雾燃烧器,开展液体燃料乙醇雾化实验研究,得出了稳定的锥–射流雾化工作模式。基于该工作模式,对双电极产生的电场强度进行理论计算,采用数值模拟的方法对流场和电场的耦合场进行分析求解,运用乙醇–空气两相流水平集方法模拟乙醇的流动。在体积流量为1 m L/h、毛细管电压4.19 k V、环形电极电压1 k V时得到了稳定的锥–射流、毛细管附近场强分布和两相流的速度场。经过理论计算得出了乙醇产生雾化的最小体积流量。研究表明:轴向场强和径向场强在锥射流内部均逐渐增大,在锥射流界面达到最大值后逐渐减小。由于射流的外侧速度矢量出现漩涡并沿分界面的切面方向运动,促进了锥射流的形成。当环形电极电压一定时,高于最小体积流量的乙醇在适合的毛细管电压下可得到稳定的锥射流。

电喷雾推力器锥射流形成的电流体力学仿真

以G往关于电喷雾过程仿真研究对象多局限于低电导率液体,而电喷雾推力器使用的工质主要为高电导率离子液体,推力器工作时,离子液体在强电场作用下形成锥形,并在末端发射出锥形等离子体荷电喷雾。但离子液体受空间电荷、液体内部电流及液面电流的影响较大,电流体力学过程更为复杂,相关仿真研究极为匮乏。本文通过加入未简化的电荷守恒方程,考虑空间电荷及电流对锥射流形成与演化的影响,并耦合高斯定律和Navier-Stokes(N-S)方程求解流场及电荷分布,使用volume of fluid(VOF:流体体积)方法追踪液-气界面的变化,对高电导率液体的电喷雾锥射流形成过程开展了仿真研究。本次仿真工作以庚烷为工质模拟了锥射流形成与演化过程,得到电荷、电势和流场的分布,并与未考虑空间电荷的理想电介质模型进行对比。仿真结果表明,在低电导率情况下,本文模型与理想电介质模型的结果相近;高电导率情况下,本文模型得到的结果与相关实验更加吻合。

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。

液滴演化及静电场下锥射流形成的数值模拟

液滴的演化作为雾化的最基本形式,研究其动力学特性为深入探究静电雾化机理提供了重要的理论依据。静电雾化的重要形式之一是锥射流,研究其形成过程及电动力学特性对于探讨分析多股射流等其他复杂多相流具有重要意义。利用Level-set耦合VOF方法,在假设流体不可压缩并做平流运动的情况下,对单液滴生成过程以及静电场下锥射流的形成进行了数值模拟。模拟结果与实验结果较好吻合,验证了Level-set耦合VOF方法模拟两相流问题的有效性。同时分析了液滴生成过程及锥射流状态下的速度场等分布,为模拟多场耦合等复杂条件下的液滴二次雾化奠定了基础。

大锥角聚能射流实验研究

通过闪光X射线摄影技术 ,研究了两种大锥角射流的特性及其对钢靶的侵彻 ,并与小锥角射流进行了对比。研究结果表明 :大锥角射流的头部速度较低 ,但直径和质量较大 ,在大炸高条件下对钢靶的侵彻孔深度浅 。

小尺度荷电锥-射流场强分布特性研究

基于微小尺度荷电喷雾燃烧系统,进行了组合电场下乙醇的荷电雾化实验,得出了稳定的锥-射流雾化模式,并基于该模式,进行了理论分析计算。借助直角坐标系与极坐标的关系,采用椭圆积分的方法,求解出组合电场下射流区的场强分布。研究结果表明：环形电极在射流区产生的场强在喷嘴中心处产生的电场强度最大,环形电极圆心处的场强为0 V/m,当其他条件相同时,场强随着半锥角的增大而增大。环形电极的半径远大于喷嘴半径,极距较小,环形电极在射流区产生的场强与喷嘴电极所产生的场强相比可以忽略。在球坐标系φ为0°～49.3°范围内,射流区的电场强度电场分布是轴对称的极不均匀的场强,喷嘴中心处值较小,周围场强较高,利于雾滴荷电,改变环形电极电压参数,对射流区的场强分布没有影响,但对雾化区的场强起到了明显增强作用。

锥-射流模式下毛细管静电雾化流场的PIV测量

采用粒子图像速度场仪测量了毛细管微射流静电雾化流场,获得了毛细管静电雾化的典型雾化模式和锥-射流模式下雾场中雾滴的速度矢量图与流线图,分析了雾滴在输运过程中的受力情况和静电电压作用下的速度与流线变化。实验结果表明:在静电力与极化力、重力、流体拖曳力等共同作用下,随着荷电电压的增加,雾场流线分布均匀,雾滴在轴线上速度逐渐增加。在任一电压下,随着射流轴向距离的增加,同一截面上雾滴速度都有所增加,且速度的均匀性沿轴向有所提高。

基于双电极荷电雾化的乙醇锥-射流特性

为合理设计微型荷电喷雾燃烧器,开展液体乙醇雾化试验研究。基于毛细管电极-环形电极-网格双电极燃烧器,得到稳定的锥-射流雾化工作模式。采用光学可视化方法获得雾化形态,测量锥角及电压,并与单毛细管电极的雾化结果进行了对比,讨论环形电极对锥-射流雾化模式的影响。理论分析荷电雾化锥-射流模式产生的液锥面受力情况,在液锥垂直面上基于受力平衡建立力学模型,并根据双曲线模型,求解液锥的半锥角。研究表明:在电压达到一定值时,流体会形成具有固定锥角的锥-射流,该临界锥角远小于Taylor半锥角49.3°,更加接近理论计算值34.72°。在相同雾化模式下,双电极形成的锥-射流锥角小于单电极形成的锥角。采用双电极雾化装置,选择合适电压的环形电极,可以显著降低毛细管电压,促进稳定的锥-射流雾化的形成。

高背压下平口喷嘴射流锥角影响因素分析

高背压下条件下的射流在火电的减温水喷射、燃气轮机、加压煤气化、潜艇等领域具有广泛的应用。由于高背压射流参数计算方法缺失,本文利用搭建的高背压实验系统,选取8种不同结构参数的喷嘴进行实验,研究背压、喷射压差、喷嘴长径比等参数对射流锥角的影响。分析实验结果,发现背压对射流锥角影响较大,在高背压时,背压越高,射流锥角越大;在低背压时,射流锥角受喷嘴内部流动状态影响较大,低背压时,喷嘴内部易产生空穴流动,空穴的产生促进射流锥角的增大,其影响不可忽略。

大锥角聚能射流实验

通过闪光X射线摄影技术研究了大锥角射流的形成机理及其对钢靶的侵彻。典型的实验装置及其产生的射流见图1(图中t是以雷管起爆为零的时间)。实验装置由主装药、药形罩、壳体、环形起爆器、雷管等组成，LY12铝壳体壁厚为3mm，主装药为RHT-901(RDX/TNT=60／40)，在环形起爆器上，沿φ90的圆周上均匀布置32个起爆点，产生环形爆轰波，药形罩为紫铜，并进行了截顶处理。截顶有3方面的作用：一是降低药形罩高度，从而降低装置长径比；二是降低杵体质量，因为在药形罩的顶部，罩微元压垮距离短，得不到充分的加速，大部分形成杵体，截顶后，顶部罩微元压垮距离增加，压垮速度相应增加，从而降低杵体质量；三是提高射流头部速度，这是因为，越靠近罩顶部，微元压合速度越低，导致后面的射流微元速度高于它前面的，产生反向速度梯度，从而引起射流质量“聚集”，形成射流的头部，这种质量的“聚集”降低了射流头部速度。

离子液体电喷推力器工作机理研究进展

离子液体电喷推力器易于小型化,具有比冲高、推力精度高的特点,适用于微小卫星、太空引力波探测等领域,具有较大发展潜力。对电喷工作机理的认识与研究,不仅能够促进离子液体电喷推力器在工程中的应用,同时也为未来的进一步发展奠定基础。基于此,本文首先回顾了电喷推力器的发展历程及现状;其次以离子液体电喷推力器3个基础工作过程为出发点,对其锥射流形成及发射机理、束流模式及引出特性、羽流自中和机制进行了基础理论介绍与研究现状的总结;最后对离子液体电喷推力器未来的工作机理研究方向和工程应用发展方向提出展望。

轴向磁场对EHD打印磁流体中射流状态的影响

提出引入磁场的EHD打印磁流体的方法,研究了轴向磁场对EHD打印过程中形成泰勒锥射流稳定状态所需的综合实验参数的影响。在不同的轴向磁感应强度条件下,通过不断调节EHD打印的流量和电压,并进行原位观察,分析了不同射流状态下各实验参数之间的关系,得到了各种射流状态所需的电压和流量区间。研究结果表明,引入磁场可显著降低EHD打印磁流体所需的电场力,从而降低实验操作要求,为打印磁流体提供了实验指导。该方法还可应用于EHD打印其它添加了磁性纳米颗粒的混合墨水。

针状电极静电雾化机理与实验研究

为改善微量润滑切削加工中微液滴飞移飘散、切削液利用率低等技术问题,探讨针状电极高压电场对微液滴粒径变化和粒径分布的影响规律。结合润滑剂荷电特性和针状电极电场分布特征建立锥射流雾化模型,并利用数值分析软件对模型进行求解,设计静电雾化效果观测实验以验证针状电极锥射流雾化机理。研究结果表明,雾滴粒径随气压和电压的升高均出现降低的趋势,在0.1 MPa时粒径细化最为明显,总体降低了34.67%,同时分布跨度R.S值降低了20%,实验结果与雾化模型计算值基本符合,三种气压条件下,随着电压升高PM10和PM2.5百分比浓度也有不同程度的降低。因此,高压电场对雾滴粒径具有明显的细化作用,还能明显抑制PM10和PM2.5细小颗粒的产生。

喷头润湿性对EHD打印射流形态影响的数值模拟

在电流体动力学理论的基础上,通过有限体积法和VOF界面追踪方法求解流体动力学连续性方程、动量方程和电场方程,分析电流体锥射流的形态变化机理。计算结果表明:射流时间相同时,打印流体与毛细管喷头的接触角越小,润湿性越强;两者的接触面积越大,锥射流的长度越小;形成稳定射流时,接触角越小,锥射流的长度和半径越大,达到稳态所需的时间越长;当接触角大于75°时,回流现象不明显;接触角小于60°时,锥射流两端形成明显的回流区域,接触角越小,回流区域越大。研究结果有助于进一步理解电流体动力学打印过程中的射流动力学机理,可为改进喷头结构提供参考。

压力旋流喷嘴射流稳定性的实验研究

压力旋流喷嘴射流稳定性对射流的破碎雾化具有重要作用。搭建了压力旋流喷嘴射流稳定性实验平台,在此基础上进行了压力旋流喷嘴射流稳定性实验研究。通过激光衍射方法获取射流振荡频率信息,并以射流振荡频率表征射流的稳定性;利用高速摄影方法采集射流图像并分析射流破碎长度、锥角等形态参数的变化规律。研究结果表明,射流形态与射流流量、射流液体物性以及射流喷嘴内径密切相关;射流振荡频率分别与射流流量和射流液体黏度成近似线性关系;喷嘴出口内径与射流振荡频率之间的关系则比较复杂,相同流量时出口内径较小喷嘴的射流振荡频率大于出口内径较大喷嘴,流量超过一定值后,不同出口内径喷嘴的射流振荡频率趋于一致。

发动机尾气射流特性研究

利用高速摄影仪实时拍摄发动机尾气的射流运动过程,通过Im age-Pro6.3专业图像处理软件,选择气体射流顶点为研究对象,根据自由射流理论,得到发动机尾气贯穿距离、射流锥角、射流速度随射流时间变化的规律。结果表明:尾气射流分为两个阶段,射流起始段和射流主体段。当发动机转速一定时,在整个射流过程中,射流贯穿距离随射流时间的增加而增加,射流锥角基本保持不变,射流速度随射流时间的增加而减小;当发动机转速提高时,射流贯穿距离、射流速度均有所减小,而射流锥角增大。在此基础上,确定了射流贯穿距离与射流速度之间的数学模型。

基于EHD微尺度3D打印喷射机理与规律研究

基于电流体动力学(EHD)微尺度3D打印(电流体动力喷射打印或电喷印)的成形机理复杂,成形影响因素较多,首先对泰勒锥的受力状况进行了理论分析,然后用有限元数值模拟和实验方法进行验证,探索了该微尺度3D打印方法的喷射机理,并揭示了电压、压力对锥射流喷射性能的影响规律。结果表明,电压越大,锥形越短;入口压力越大,锥形越长,同时也表明了在一定的电压和气压范围内喷印均可以正常进行,而不是特定的电压或气压,从而可以通过调节电压和气压改善锥射流及喷印质量。用光固化树脂材料进行的喷印实例中获得了较好的喷印质量。

阵列式多管集成静电雾化试验分析

为了减小甚至消除多管集成静电雾化(multiplexed electrostatic atomization,MES)中相邻毛细管荷电射流间电场的相互作用,探索和优化MES雾化特性,通过设计错位毛细管阵列来扩大喷雾源间距,并在静电场中加介质来减小射流排斥作用,改善了电场均匀性。对不同介质作用下MES的雾化特性进行了试验研究,结果表明:介质作用下MES较无介质作用下全锥射流的雾化锥角增大,产生锥射流所需的电压及形成的电流增大,液滴粒径均匀性变差,液滴空间分布变均匀;且介质绝缘性越好,雾滴粒径越小,粒径分布越均匀;介质导电性越强,粒径均匀性越差,MES稳定性越好。所以通过扩大喷雾源间距和在静电场中插入介质能有效地改善喷雾源射流周围电场的均匀性,优化MES雾化特性。