低温风洞中液氮液滴的破碎特性模拟研究

为探究低温风洞中液氮液滴的破碎特性并阐明其破碎机理,基于耦合水平集流体体积函数(CLSVOF)方法,采用自适应局部网格加密技术,构建了二维液氮液滴破碎模型,对比了液氮液滴与常温液滴的形态演变规律,计算分析了韦伯数(We)对液氮液滴形态、变形系数及时间特性的影响规律。模拟结果表明:液氮液滴的We高于常温液滴,且更容易发生变形和破碎;随着We的增大,液氮液滴依次发生袋状破碎、多模式破碎和剪切破碎;液滴迎风面和背风面的压差均随时间呈现先增大后减小的规律,发生转变的原因是袋状结构形成或边缘液滴颗粒脱落;不同液氮液滴破碎模式下,变形系数的变化规律差异明显;液氮液滴无量纲初始破碎时间随We的增大而减小,在0<We<100时,临界变形系数维持在2.6附近。研究结果可为低温风洞中液氮喷雾冷却系统的优化提供理论依据。

不等径开放式撞击流雾化特征及二乙二醇/水体系混合研究

采用粒子图像测速技术(PIV)对不等径开放式撞击流中质量分数60%的甘油‑水溶液雾化性能进行了研究,探讨韦伯数We(51≤We≤1605)、入射速度u(2.12 m·s^(-1)≤u≤6.37 m·s^(-1))、喷嘴直径(喷嘴1:左侧喷嘴直径(D_(1))=1.5 mm,右侧喷嘴直径(D_(2))=2 mm;喷嘴2:D_(1)=2 mm,D_(2)=3 mm)对液膜破碎特征及液滴行为的影响,并对复合含能材料粘结剂溶剂二乙二醇与水混合过程的液滴分布进行了研究。结果表明:随着We增大,液膜破碎长度先增大,当液膜破碎模式到达无边缘模式后减小,且液膜厚度与液滴直径逐步减小,液滴速度逐步增大;随喷嘴直径增大,液膜破碎模式变化不显著,液膜破碎长度、厚度、液滴直径均增大,液滴速度则逐步减小。同时,拟合得到液膜破碎长度、液膜厚度、液滴索特平均直径D[3,2]与喷嘴直径、韦伯数间的经验关联式,采用二乙二醇与水体系验证后发现,随入射速度增大,二乙二醇与水撞击混合后液滴直径减小,分布变窄,D[3,2]数值在经验关联式±15%误差范围内与理论预测结果一致。

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性,本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构,考虑气液双向耦合,采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程,采用大涡模拟计算气相流动。结果表明,该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合;初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大,初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。

气液旋流器的分离性能

旋流器内气液两相的分离过程是液滴离心沉降和碰撞聚结、破碎的复合过程。对液滴的聚结、破碎机制进行分析,试验验证液相物性、流场强度对液滴聚结、破碎以及旋流器分离性能的影响。结果表明:液相黏度对涡流场中液滴的破碎影响很大,黏度增大分离效率上升;湍流强度是导致旋流场液滴破碎的主动力,当流量达到一定值时,高湍流强度导致液滴破碎,分离效率随流量上升开始急剧下降;液滴聚结、破碎过程对分离器压力降影响不大。

气液旋流器内液滴破碎和碰撞的数值模拟

气液旋流分离器内是一个复杂的强旋湍流场,流场内的液滴受气动力、剪切力和湍流脉动的作用,发生剧烈的相互碰撞、聚合、破碎并撞击筒壁。对旋流器内液滴间的碰撞、聚合、液滴的破碎和碰壁的机制进行分析,在前人研究的基础上,结合旋流器的实际情况,提出适用于气液旋流器强旋气相湍流场内液滴间碰撞、液滴破碎和碰壁过程的计算模型,对新的数学模型进行数值模拟计算。结果表明,本模型能较为准确地预测强旋气相湍流场内液滴间碰撞、液滴破碎和碰壁过程,完善了气液旋流器的分离机制模型,为改善其分离性能及其工程设计提供了理论基础。

液滴在气体介质中剪切破碎的数值模拟研究

液滴变形和破碎是燃料抛撒问题的重要过程。本文将VOF方法和标准k-ε湍流模型组合,建立了计算液滴在气流中变形破碎过程的数值方法。数值模拟了相关的实验,计算得到的液滴破碎过程与实验结果符合较好。在此基础上,分析了几个关键参数(Weber数、Ohnesorge数、液气密度比)对液滴破碎过程的影响。计算结果表明,Weber数对液滴变形破碎起促进作用,而Ohnesorge数和液气密度比起阻碍抑制作用。

低温低速烟气中液滴破碎临界韦伯数与破碎时间分析

应用湍流模型和流体体积模型方法对液滴在低温低速烟气中的破碎特性进行数值研究,重点分析液滴韦伯数和雷诺数对液滴破碎方式的影响,以及烟气密度、流速、液滴速度和粒径等对液滴破碎时间的影响。计算结果表明：对于文中研究的低温低速气体环境及液滴,主要存在液滴发生袋式破碎及没有发生破碎两种形式,临界韦伯数为10.6。韦伯数是液滴破碎的尺度,雷诺数在液滴破碎中不是关键因素。对于文中的气体环境和液滴,综合影响下液滴无量纲破碎时间为常数1,独立于液滴粒径。在文中低温低速气体环境中,将液滴粒径控制在0.3~0.4 mm有助于缩短液滴的完全蒸发时间,提高液滴群蒸发效率。

圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.

液-液水力旋流器中的液滴破碎

在总结前人研究成果的基础上,分析了液-液水力旋流嚣中液滴破碎产生的原因,指出流场的湍流特性是产生液滴破碎的主要原因。对水力旋流器中的湍流度、雷诺切应力及颗粒的湍动能进行了分析,给出了水力旋流器中液滴破碎可能性较大的几个部位,并对旋流器边壁液滴破碎的可能性进行了讨论。分析了水力旋流器中液滴破碎的机理,阐明了液滴破碎判据——临界Weber数的表达式,并对理想球形液滴的破碎进行了分析。

液体环二次破碎所形成云雾区基本特性的研究

二次破碎是液体抛撒、破碎和雾化过程中一个非常重要的阶段，这个过程直接影响到雾化液滴尺寸的分布。本文介绍了可移动式无膜激波管工作原理和在这种新实验设备上进行光学测量的理论依据和实验结果。实验结果表明，液体环二次破碎产生云雾区的液滴Ｓａｕｔｅｒ平均直径在固定点随时间的增加呈减小的趋势，而云雾区的宽度和云雾区前缘的液滴颗粒的Ｓａｕｔｅｒ平均直径则随测量的距离增加都有所增加。

液体射流分裂与雾化机理在喷雾特性预测中的应用

将粘性气体中的三维粘性圆柱形液体射流分裂与雾化机理,应用到喷雾特性的研究中.确立了喷嘴出口处未受扰液核长度及喷雾平均滴径的计算方法.本文得到的平均滴径与实验的统计值相吻合.此外,数值计算还发现高速射流的雾化过程主要是由短波长的扰动波引起的.

Y型喷嘴液膜随机破碎模型研究

采用Monte Carlo法,综合考虑Y型喷嘴液膜破碎过程中表面扰动波长、液膜厚度及初始雾化液滴速度等分布的随机性,结合混合孔内气、液两相流动及二阶段雾化模型,建立Y型喷嘴雾化液滴粒度分布模型.利用FAM型激光粒度仪对实验喷嘴的雾化特性进行测试,测量结果与模型预测结果吻合较好.

旋流喷射液滴粒径与速度数量密度分布

建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数;在此基础上,对压力旋流燃油喷射破碎液滴粒径和速度的数量密度分布特性以及碰撞和蒸发对破碎液滴粒径数量密度分布的影响进行了研究.结果表明:从液滴粒径数量密度分布角度看,存在一旋转强度,小于该旋转强度时,旋转不利于射流破碎雾化,只有超过该旋转强度后,旋转才会促进射流破碎雾化,轴向速度增大有利于射流破碎雾化;从液滴速度数量密度分布角度看,旋转总是有利于射流破碎与雾化,轴向速度增大对促进射流破碎雾化作用不明显;碰撞强度增加,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径增大方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大;蒸发强度增大或蒸发持续时间增长,破碎液滴粒径数量密度分布向粒径减小方向移动,粒径数量密度分布范围增大,粒径数量密度分布峰值变化不大.

柴油液滴冲击液膜润湿壁面实验和数值模拟

从实验和数值模拟两方面研究了液滴碰撞液膜润湿壁面的过程。实验采用高速摄像仪观测并分析了液滴撞壁后的铺展、水花形成和液滴破碎飞溅现象,并定量获得了液滴的铺展系数和铺展速度随时间的变化规律。实验结果表明:液滴的铺展系数和铺展速度的碰撞速度效应明显;碰撞速度越大,液滴的铺展系数越大;液滴撞壁后的铺展速度迅速减小,碰撞速度越大铺展速度越大。数值模拟采用流体体积法,综合考虑液滴与壁面间传热及接触热阻的作用,建立了液滴撞壁数值模型。该模型模拟结果和实验数据吻合较好,证明了数值模型的准确性。数值结果表明:液体内部的压力梯度是液滴铺展、产生皇冠水花和以及液滴破碎飞溅的主要原因;毛细波是水花颈部收缩和液滴破碎飞溅的关键因素。

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。

冲击波与液滴相互作用特性研究

为分析细水雾对舰船舱内爆炸强冲击波的耗散作用与机理,采用有限元仿真方法建立二维空间内冲击波作用于液滴的模型,分析冲击波与液滴相互作用的过程,分析过程中压力波以及液滴形态的变化。结论如下:高马赫数冲击波和低马赫数冲击波作用于液滴的破碎特性有两种较为典型的模式,反射波和透射波的变化受冲击波速度影响较大;低马赫数冲击波作用时,绕射波延伸较近,环流衍生成的低压区面积较小,过程进行较为缓慢,高马赫数冲击波作用时则相反。液滴破碎历程大致可分为四个阶段:钝化变形阶段、"人"字形变形阶段、拉长阶段和破碎阶段,各阶段特征明显;液滴的变形至破碎相比冲击波的传播过程呈现明显滞后性,冲击波传播过程迅速,产生的气动力持续影响液滴的形态变化。

高速氩气流中水滴和电子氟化液滴变形破碎的实验研究

在竖直激波管中实验研究了液滴在高速气流中的变形破碎现象。使用高速相机直接拍摄法以及阴影法获得了两种不同的液滴在不同气相中变形破碎的形态特征图像,定量分析了液滴位移及横向变形随时间的变化关系。结果表明:液滴的表面张力越小,液滴越容易变形破碎,且变形破碎速率越快;气液密度比越大,液滴在气相中越不稳定,液滴开始变形和破碎的时间越早,且变形破碎程度更高;液滴的横向变形最大值随着激波马赫数的增大而增大。

油相中荷电液滴变形和破碎特性的实验研究

基于显微高速数码摄像技术对不相溶醇油体系中醇相荷电液滴的破碎行为演变过程进行可视化研究。精确捕捉不同场强下荷电液滴在油相中的显微形貌特征,得到荷电液滴在不同工况下的变形破碎过程和演变细节,探究荷电液滴在不同破碎模式下的形成机理。定量分析荷电液滴尺寸与电压和流量的关系,得到液滴粒径累计分布规律和液滴粒径分布的Rosin-Rammler函数。研究结果表明,随电场强度增加,液滴尺寸迅速下降,粒径分布均匀性提高。电场使相间作用效果明显增强。

乙醇和柴油液滴的静电脱落和破碎特性研究

液滴静电脱落和破碎特性研究是认识静电雾化的基础,以乙醇和柴油液滴为研究对象,开展其在静电场中的脱落及破碎行为研究。采用微泵驱动控制流量、静电发生装置形成稳定电场、氙灯照明和高速摄像仪获取脱落和破碎过程的动态行为,利用数字图像处理技术提取过程参数。结果表明:毛细管管径和流量不变的情况下,电场电压较低时,液滴发生偏移并脱落,柴油液滴的偏移角较乙醇的小,柴油脱落液滴粒径较乙醇的大;电场电压适中时,液滴发生闭塞而不脱落或变形为波条;仅当流量增大,且电场电压也较大时,液滴发生破碎,乙醇的破碎平均粒径较柴油的小,说明表面张力较小的乙醇静电雾化效果明显优于柴油。

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法(VOF)与离散相模型(DPM),获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明:在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹(K-H)不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒(R-T)不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。