撞击式射流破碎特性的实验研究

基于自行搭建的撞击式射流系统,采用高速摄影技术,研究了对称射流撞击和非对称撞击射流液膜的破碎特性.分析研究了射流撞击夹角及喷嘴内径对射流撞击破碎的破碎模式和破碎特征(破碎长度、液膜长度、液膜宽度、液膜长宽比)的影响规律.对比研究了3种不同流体——水、甘油、卡波姆凝胶(非牛顿流体)的破碎特性.在实验的韦伯数范围内,喷射模式可分为3种破碎模式,即封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式;破碎长度随韦伯数的增大,呈先增大后减小的趋势;减小撞击夹角可以减小液膜的长宽比,喷嘴内径的大小不会改变液膜长宽比的值;与对称撞击相比,非对称撞击更能加剧液膜的破碎.     

带电射流非稳态破碎的可视化试验

采用高速数码相机对毛细管带电射流破碎形态的演化过程进行了可视化研究,探讨了大流量下带电射流破碎的基本形态及射流不稳定破碎模式的转变,分析了物性参数、电压及液体流量对带电射流破碎模式的影响.采用半球形毛细管喷嘴研究锥射流模式向简单射流模式演化的过程,采用普通毛细管喷嘴对比研究去离子水和乙醇的静电简单射流雾化模式.结果表明：在特定电压下,随着流量增加,锥射流模式可以逐渐过渡为简单射流模式;当初始状态为射流时,随着电压增加,大流量下的去离子水静电雾化射流破碎模式主要为曲张不稳定破碎和鞭动不稳定破碎;表面张力较小的无水乙醇更容易产生破碎,还出现了鞭动辅助分叉模式和枝状破碎模式.     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

高压喷雾射流雾化及水雾捕尘机理的拓展理论分析

通过对射流扰动控制方程、射流色散方程解算结果的分析,基于两相流的喷雾概念模型,引入了空穴、湍流和空气动力共同作用的雾化模型。认为高压喷雾时,喷嘴内部形成的空穴和湍流作用主导喷嘴出口附近的一次雾化,而空气动力则控制着此后的二次雾化过程。提出以临界韦伯数作为射流是否发生二次雾化的判据。根据对液滴破碎方式的分析,认为液流完全分裂成雾滴的射流临界初速度为60 m/s,且射流破碎一般发生在一次雾化中,薄膜破碎一般发生在二次雾化中。基于液滴对尘粒的主动碰撞理论,对典型喷雾降尘机理进行了改进,认为当含尘气体处于非饱和状态且温度高于液体温度时,捕集率与液滴粒径间存在一个最佳组合;在相同的液气比,相同的液滴喷入时,降低气流速度有利于微细液滴对细小尘粒的捕集。     

数值模拟喷射夹角对VIGA制粉雾化过程的影响

通过计算流体力学软件数值模拟和实验相结合的方法，以高温合金雾化过程中气、液、固三相的交互作用机制为研究对象，采用欧拉-拉格朗日法的VOF(volume of fluid)多相流模型和DPM(discrete phase model) 离散相方法，研究了喷射夹角对熔体主雾化和二次雾化过程TAB(Taylor analogy breakup)破碎过程和粒度分布的影响，并与同步实验结果进行了对比.研究结果表明，随着喷射夹角的增大，回流区面积逐渐减小.金属熔体的初次破碎形态呈“倒喷泉状→伞状”，初次液滴的尺寸为0.3~0.9mm.初次破碎液滴的气体韦伯数(We)为10~90，随喷射夹角的增大，粉末的平均粒径逐渐降低，喷射夹角为36°时，实验制备的粉末粒径与数值模拟得到的粉末粒径基本一致，表明了数值模拟合金雾化破碎过程的合理性.     

紧耦合气雾化制备Al基非晶合金粉末

开展了采用紧耦合气雾化方法制备Al基合金粉末的实验和理论研究.利用X射线衍射仪、差热分析仪、扫描电镜和透射电镜分析了粉末的表面形貌、显微组织和结构特征,根据气雾化过程中熔滴的破碎模式和冷却行为确定了Al基合金的非晶化临界冷却速率及相应粉末粒径.结果表明:气雾化粉末中存在部分非晶粉末,非晶粉末的粒径小于26μm;Al基合金的非晶化临界冷却速率大致为106K.s-1;雾化中熔体的破碎和冷却是两个相互耦合(矛盾)的过程,快速冷却(大于104K.s-1)极大地阻碍熔体的充分雾化,同时熔滴的破碎模式对其冷却行为具有显著的影响.目前紧耦合气雾化技术还只能制得非晶/晶态混合的Al基合金粉末.     

高速气流中液滴变形破碎的实验研究

通过高速摄影测试技术获得了液滴的3种典型变形破碎模式:振荡变形、剥离破碎和爆炸式破碎.定量研究了不同破碎模式下液滴形态的变化过程,发现在液滴演化的初始阶段3种工况的液滴增长曲线几乎重合.当液滴展向宽度增长到初始直径的3倍左右时,液滴受气流剪切作用开始剥离出颗粒.在液滴形态的发展过程中爆炸式破碎与剥离破碎模式具有一定的相似性.实验结果在一定程度上支持了Theofanous提出的"爆炸式破碎模式非独立存在"的观点,符合以作用机理为依据的液滴破碎模式分类.采用平面激光诱导荧光技术(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)研究了液滴破碎雾化过程中液滴内部微小颗粒的分布,发现气流速度的增加增强了背风面反向涡对的强度.气流的剪切和夹带对液滴的破碎起着主导作用.     

一种表征紧耦合气雾化中熔滴冷却速率的新方法

通过分析熔体破碎模式和非晶态颗粒的形成机制,提出一种表征紧耦合气雾化过程中熔滴冷却速率的新方法。结果表明:在一定的工艺条件下,紧耦合气雾化存在多种破碎模式,熔滴的冷却速率因直径、雾化位置的差异,相同直径熔滴经历结晶和非晶化2种不同冷却行为;依据Al基合金粉末的粒度分布和微观结构,结合熔体的雾化过程及冷却模式,确定熔滴冷却速率的上、下限;实验得出熔滴的冷却速率为104～108 K/s,Al-Ni-Y合金的非晶化临界冷却速率为105 K/s,能形成非晶态的熔滴最大直径为25μm左右,实验结果与理论分析结果较吻合,比较客观地反映紧耦合气雾化的复杂过程。     

矩形截面半潜式平台浪流耦合作用涡激运动响应二维数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟,针对一型采用矩形截面立柱设计的深吃水半潜式生产平台,研究其在波浪和流共同作用时的涡激运动响应.选取典型135°来流方向,以正弦振荡流模拟波浪,考虑不同KC数、不同相对流数下波浪与同向均匀流耦合作用.研究表明,较之于仅有均匀流作用,均匀流和正弦振荡流耦合作用时,矩形截面立柱的半潜式平台运动响应明显增大.振荡流耦合作用影响显著.     

低速液体射流Rayleigh模式破碎的数值模拟

该文采用有限体积法和Volume-of-Fluid方法在轴对称坐标系下求解原始变量Navier-Stokes方程,数值模拟液体射流射入与之互不相溶的流体中射流界面的Rayleigh模式破碎过程.计算捕捉到界面不稳定发展、变形和射流破碎以及液滴的形成过程,探讨了射流核心区长度和韦伯数的关系,分析了速度场和压力场的分布特点.     

可压缩气体中粘性液体射流分裂与雾化机理

采用空间线性稳定性分析方法对可压缩气体中的三维粘性液体射流分裂与雾化机理进行了研究,得到了具有普遍三维扰动形式的、描述射流自由表面扰动发展的色散关系.影响射流分裂与雾化的参数有Reynolds数、Weber数、气液密度比及气体介质相对于射流运动参考系的Mach数.Reynolds数、气液密度比和Mach数在射流分裂与雾化过程中总是起着不稳定性的作用.Weber数的作用较复杂,当Weber数较小时,气液界面上的扰动增长率随着它的增大而减小;当Weber数较大时,它在射流分裂与雾化过程中起着不稳定性的作用.     

双流体喷嘴荷电雾化特性

针对压力雾化难以雾化高粘度液体的问题,设计了双流体喷嘴,利用气体动能提高雾化效果.以空气、水为介质,对双流体喷嘴进行了试验研究,测量得出了各控制参数间的互相牵制关系,发现了气液流量之间的一般规律.改变气液压力可以有效改变喷量与雾滴粒径以满足不同雾化要求,雾化片孔径的大小对雾化特性的影响很大.电极电压增大,荷质比随之增加,并从理论上进行探索,分析得出了当荷电雾滴荷质比达到分裂极限时,雾滴将进一步破碎雾化.试验表明,该喷嘴具有气耗低,喷量调节范围宽的特点,对高低粘度液体均能有效雾化,荷上静电以后,液滴粒径更加细小、均匀.     

喷雾冷却轴线处的雾化特性分析

喷雾冷却具有极强的冷却能力,在电力电子设备中拥有广阔的应用前景,其传热机理一般认为与其雾化特性具有重要关联,本文对喷雾冷却的雾化性能进行了实验研究,总结出喷嘴口径、喷雾压力及喷雾介质对喷嘴雾化参数的影响规律。对喷嘴的雾化性能及其影响因素进行了理论分析,通过因次分析建立了喷嘴轴线处的雾滴sauter平均直径（SMD）与喷雾压力、喷嘴口径、喷雾高度、雾化介质的物性参数之间的实验关联式。结果表明,该实验关联式可以较为准确的描述轴线处的雾滴粒径的变化规律。研究结果将为喷雾冷却系统设计中喷嘴的选型、喷雾压力的设定和喷雾效果的优化提供参考。     

利用PIV测量水煤膏雾化粒径的试验研究

建立了垂直式水煤膏雾化试验装置，采用PIV(particle image velocimetry)及二次开发的图像处理软件对水煤膏雾化特性进行了测量，分析了水煤膏雾化颗粒测量的影响因素。PIV测量技术不仅可以用于流场测量，通过对PIV图像的二次处理还可以用于颗粒粒径的测量，为进一步研究水煤膏喷嘴的雾化性能提供了坚实的基础．结果表明，随着气膏质量比的增加，雾化平均粒径降低．当气膏质量比大干0．6时．雾化颗粒质量平均粒径降低的幅度很小．     

燃煤电厂脱硫废水在烟道中的蒸发及流动特性数值模拟

利用燃煤电厂尾部烟道的烟气余热来实现脱硫废水的喷雾蒸发是实现其零排放的有效途径,以国内某燃煤电厂330 MW火力机组的烟道为研究对象,利用DPM模型对雾化液滴群在高温烟道内的蒸发及流动特性进行了研究,考察了不同雾化嘴角情况下液滴碰壁情况、不同负荷下液滴的蒸发情况,研究结果表明：在50%、75%、100%烟气负荷工况下,烟气温度越高、烟气速度越快,雾化液滴群完全蒸发所需时间越少,液滴最大蒸发时间在2.85~3.36 s之间。在单烟道结构的最佳喷嘴雾化锥角为65°情况下,越靠近烟道内侧,涡的尺寸越大,越有利于促进喷嘴区的局部液滴群不断向其他区域扩散。     

可压缩气体中的三维粘性液体空心柱射流稳定性分析

针对可压缩气体介质中的空心圆柱形粘性液体射流建立了三维模型,并对射流的空间稳定性进行了分析.影响扰动增长率的无量纲参数有Reynolds数、Weber数、气液密度比、气体介质相对于射流运动参考系的Mach数及空心柱内半径与液膜厚度比.Reynolds数在液体射流雾化过程中始终起着不稳定性的作用,但它对不稳定扰动波波数的范围没有影响.扰动增长率及不稳定扰动波波数的范围均随Weber数的增加明显增大.气液密度比在液体射流雾化过程中具有加速射流雾化的作用.气体介质相对于射流运动参考系的Mach数对射流雾化过程具有不稳定性的作用,也就是说气体的可压缩性在液体射流雾化过程中具有不稳定性的作用,它的增加会促进雾化过程的进行.当空心柱内半径与液膜厚度比较小时,它在雾化过程中具有不稳定性的作用,反之则具有稳定性的作用.     

喷嘴对锥形涡流管热分离影响研究

通过涡流管内部气体的流动分析,得到了喷嘴结构对涡流管热分离性能的影响关系,基于锥形涡流管进行了对比实验,实验验证了分析结果的正确性.实验结果表明:影响涡流管热分离性能的基本参数是喷嘴流道的总截面积,而非单个流道的截面积或流道个数.保持单个流道的截面积一定,当冷气流率较小时,流道个数越多对应制冷效应越大,而冷气流率较大时,结果相反.当冷气流率较小时,增加喷嘴流道的总截面积可获得更高的制冷效应,但制冷效率变化不大.分析表明:在本实验条件下当喷嘴流道总截面积与锥形涡流管截面积之比为0.153时,可同时获得较高的制冷效应和制冷效率.