高环境压力下幂律流体射流液滴粒度特性试验

基于自行搭建的射流系统和定容燃烧弹系统,采用三维相位多普勒技术,实现对幂律流体圆柱射流在封闭空间内不同工况下破碎液滴粒度场分布规律的测量.结果表明,对于同一种幂律流体,在相同的喷射压力、环境压力和喷嘴结构参数下,索特平均直径(SMD)随射流轴向位置的增大而减小;在同一轴向位置,SMD基本沿径向两侧呈对称分布,越远离中心SMD越大,射流速度越大,这种对称分布现象越明显;控制其他参数相同,SMD随着射流速度的增大而逐渐变小;随着环境压力的增大,SMD逐渐减小;喷嘴其他参数相同,SMD随着喷嘴直径的减小而逐渐减小;对于不同的幂律流体,黏度越大,SMD越大.试验结果与不稳定性理论分析所给出的幂律流体射流破碎规律是一致的.     

喷嘴结构对液体喷射破碎粒径影响的实验研究

为研究喷嘴结构对液体喷射破碎粒径的影响规律,通过阴影追踪法测得在不同喷嘴结构条件下液体喷射破碎液滴粒径分布。结果表明:喷嘴直径越大、收缩角度越平缓、破碎液滴索特平均直径(SMD)越大;喷嘴长径比增大会使得纯净水的液滴SMD增大;但对于甘油溶液,则会使得其液滴SMD减小;同时,喷嘴出口倒角会比无倒角时破碎液滴SMD增大,比较还发现45°倒角比倒圆角时破碎液滴SMD稍大。     

GDI喷油器超高压乙醇喷雾微观特性试验

为系统研究超高喷射压力下缸内直喷(GDI)喷油器乙醇喷雾的微观特性,采用相位多普勒粒子分析(PDPA)系统对10~50,MPa喷射压力下的喷雾进行了测试,并结合纹影法所获取的喷雾图像分析了喷雾形态发展、液滴粒径粒速的空间分布及随时间的变化规律.研究结果表明:提高喷射压力,枝状结构形成时刻提前,喷雾破碎过程加快;提高喷射压力,喷雾头部粒速增加,贯穿距变大;喷雾锥角随喷射压力的提高小幅度上升;提高喷射压力,乙醇液滴的索特平均直径(SMD)、DV90和DV50明显下降,但DV10下降幅度相对较小,处于剧烈破碎区的液滴粒径减小;超高压喷射有效抑制了25,μm以上大粒径液滴生成,降低粒径分布的离散程度,粒径为5,μm左右的液滴数量比例最大;超高压喷射下,在同一水平面不同测点位置,SMD的差异较小;随着测点距喷孔距离的增大,小液滴聚合现象会导致SMD变大.     

液体泄漏破碎行为数值模拟

液体泄漏破碎行为研究对核反应堆安全分析具有重要意义,泄漏破碎形成的粒径尺寸分布是影响燃烧速率的重要因素.利用计算流体力学程序FLUENT对液体泄漏破碎进行三维模拟计算,与相关实验结果对比表明:液体流动轨迹、液滴索特尔平均直径(sauter mean diameter,SMD)与实验吻合较好,验证了流体体积法-离散颗粒法(volume of fluid-discrete particle model,VOF-DPM)模型模拟液体泄漏破碎行为的适用性.在此基础上分析了不同工质及不同流速对液体破碎行为的影响.研究表明,在液体喷射速度和管道破口直径相同的情况下,工质表面张力越大,破碎形成液滴尺寸越小;随着液体喷射流速增大,所得粒径平均直径减小;液体破碎粒径沿径向方向分布较为对称,液滴在喷射中心区域粒径较小轴向方向靠近破口处粒径较大.     

基于DPM的旋芯喷嘴的雾化特性

基于离散相模型(DPM)对旋芯喷嘴雾化特性进行了数值计算,本模型中液滴破碎采用泰勒相似破碎模型(TAB).利用文本采样追踪手段记录雾化颗粒特性参数分布规律,分析喷雾压力和初始喷射角对雾化特性参数的影响.研究表明:细水雾颗粒轨迹呈非正规的中空圆锥状雾炬,雾滴颗粒主要分布在雾炬外围,在雾炬中心处几乎没有.雾滴颗粒的轴向速度随着喷雾轴向距离的增大呈降低趋势;雾滴直径随着喷雾轴向距离的增大呈先减小后缓慢增大的趋势.喷雾压力越大,喷雾方向同一截面位置的雾滴直径越小;初始喷射角越大,喷雾方向同一截面位置的雾滴直径越小,但这是以缩短喷雾射程为代价的.     

旋流压力式喷嘴低压喷淋特性

以自来水为喷淋介质,对旋流压力式喷嘴低压喷淋特性进行试验研究.分析喷嘴流量和喷孔直径对喷淋角、液滴Sauter平均直径(SMD)的影响规律,研究旋流压力式喷嘴喷淋液滴尺寸分布、喷淋介质径向通量分布及喷淋周相均匀度.结果表明,喷嘴流量越大,喷淋角越大,液滴尺寸越小;喷孔直径增加,喷淋角和液滴尺寸均增大.低压喷淋液滴SMD集中在250～550μm之间,属于大颗粒,得出计算液滴SMD的关联式.喷淋通量在中心最大,喷嘴流量增大,边缘区喷淋通量逐渐增加,介质喷淋周相均匀性较好.实验结果可以为旋流压力式喷嘴,以及惰性粒子流化床干燥器的设计和改进,提供实验依据.     

液-液直接接触式制取流体冰的液滴形成特性

分散液体破碎形成液滴过程是液-液直接接触式制取流体冰系统的关键环节.基于图像采集与处理方法实验研究了非相溶冷媒(环境液体)中水(分散液体)喷射形成液滴特性,提出了分散液体破碎形成液滴的两种模式和3类射流破碎形状特征,获得了射流长度脉动和液滴平均粒径基于雷诺数的变化规律以及液滴形成的区域特性,确定了液滴粒径分布的经验分布函数.结果表明,随雷诺数的增加,分散液体破碎总是形成单液滴,其液滴形成模式由滴流发展为层流射流,且射流破碎形状由串珠单液滴向不规则液团转变,并演变为长条形液柱;在层流射流模式下,射流长度的脉动均具有随机和非周期特点,其脉动均值持续增长,液滴平均粒径则先减小后增加,其最小值出现在滴流向层流射流转变时.通过Pearsonχ2拟和优度检验,液滴粒径分布符合Rosin-Rammler分布函数,其显著性水平均达到0.03.     

在线式PIV系统应用于旋流映流的研究

开发了一套在线式粒子图像测速系统（PIV）,并用水杯中水涡流实验验证了系统的可靠性。利用该系统研究了旋流喷嘴射流的液滴运动速度,在线得到喷雾流场的双脉冲曝光数字化图像,即时用系统软件的图像分析模块进行分析,得到旋流喷雾场的两维速度分布,但在喷嘴近区域内得到不合理的速度结果,原因是该区域内液体未雾化成液滴,滴滴速度都小于理论喷射速度,且沿喷射方向呈减小趋势,表明液体在破碎成液滴后速度一直衰减,旋流喷嘴射流轴线中心区域速度有一极小值,在叶雾锥边界附近有一速度极大值。     

旋转射流流线分析及旋流强度的计算

为了研究旋转射流的流动特性以及喷嘴和叶轮的几何形状对旋转流体旋流强度的影响,对旋转射流的流动及旋流强度进行了理论分析及计算。结果表明,在理想情况下,旋转射流的流线为一条对数螺旋线。为了使水力损失最小,导向叶轮的外形应与其流线相一致,旋流强度的大小取决于喷嘴的各个参数及叶轮的几何形状。同时利用五孔探针对不同旋流强度的喷嘴进行了轴向速度、切向速度的实测试验。试验结果表明,在旋转射流的主体段,轴向速度剖面呈现出“Ｍ”形分布特点,切向速度剖面呈现“Ｎ”形分布特点。旋流强度越大,旋转射流轴向速度越小,切向速度越大。旋转射流的能量随旋流强度的增加,衰减加快,射程变短。     

幂律流体撞击式射流破碎特征试验

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非对称条件下幂律流体黏度对撞击式射流破碎特征的影响规律.结果表明:随着幂律流体黏度的增加,射流破碎模式种类增加;除弓形液线模式外,其余模式开始出现的速度与流体黏度成正比;在射流速度v较低时,破碎长度Lbu与流体黏度成反比;两股不同黏度流体撞击时,Lbu随v呈"双峰模式"且在较高v时与流体黏度成正比;相同黏度撞击时,则呈"单峰模式"且在较高v时Lbu最大;喷雾锥角α随v增加而增大,最后趋于的稳定值与流体黏度成反比;v较高时,α与流体黏度成反比.     

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.     

单液滴在射流场中的形变及破碎实验研究

在射流场中对自由上升单液滴的形变和破碎过程进行了研究。采用高速摄像技术拍摄记录液滴的初始形状、上升速度、进入射流场后的形变破碎等现象，运用粒子图像测速(PIV)技术研究了射流场的流场情况。通过改变液滴初始粒径大小、入射位置、射流速度等参数考察了在不同射流速度下液滴在流场中的形变破碎过程。结果表明，液滴在进入射流场后会发生3个尺度的形变过程，随后会发生从生成子液滴数为两个至多个不等的二元破碎至多元破碎现象；液滴一次破碎位置随流场剪切力而变化，主体破碎区域为射流场的中间部分；液滴在射流场中生成的子液滴数量会随入射流量、入射位置和母液滴粒径的改变发生变化。     

真空喷射射流流场的Fluent模拟分析

为了对真空射流流场进行研究,应用Fluent软件并基于VOF(volume of fluid)方法、k-ε标准湍模型及PISO算法,对不同喷口直径及入射压力的直射式锥型流道喷嘴的射流流场速度和湍流运动分布进行了数值模拟分析.结果表明:1)入口压力相同,喷嘴直径越大,射流与周围介质间的速度梯度越大,可促进射流的扩散和液滴破碎后的尺寸均匀分布;2)喷嘴直径一定,入口压力在10~15 MPa内,射流湍流强度分布达到最佳状态,射流流场较好;3)如果不考虑材料的溶解性,相对于三氯甲烷和四氯化碳,丙酮作为溶剂时的液体喷射雾化效果较好,适于制备质量较好的高分子薄膜.     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。     

压力旋流喷嘴雾化特性的实验研究

通过激光粒度分析仪和高速摄像机对压力旋流喷嘴的雾化特性进行了实验研究,分析了不同喷雾压力及喷嘴孔径对雾粒索特尔平均直径(SMD)、雾粒运动速度和雾化角的影响。研究表明:雾粒SMD及雾化角不仅随喷雾压力的增大而减小,也随喷嘴孔径的减小而减小,同时,雾粒SMD在雾场轴向方向先增大后减小,最后趋于稳定;雾粒轴向运动速度不仅随着喷雾压力的增大而增大,也随喷嘴孔径及距离的增大而减小。     

双股高速燃气射流在液体中扩展及相互作用的实验研究

设计了多级渐扩形和矩形观察室,借助高速录像系统研究了双股高速燃气流喷入液体中的扩展及相互作用过程.探讨了喷孔直径、喷孔间距、喷射气压等参数变化对射流扩展形态的影响.结果表明:渐扩结构中较大的渐扩尺寸比能抑制射流扩展过程中的不稳定性;喷射压力越大,射流轴向扩展速度越大,射流的不稳定性越强;和矩形结构相比,同样的工况下,渐扩结构射流轴向速度较小,径向速度较大.     

幂律流体在内管旋转下放环空中的流动与传热规律

对柱坐标系下泡沫流体运动方程和能量方程进行简化,结合幂律流体本构方程并将其离散,运用有限差分方法对方程进行求解,得到幂律流体在内管旋转下放环空中的水力参数分布.结果表明:随内管转速的增大,环空中幂律流体的轴向流速、角速度、合速度增大,温度升高,表观黏度降低;随内管下放速度增加,环空中幂律流体的轴向流速、角速度和合速度减小,表观黏度增大,内管壁附近温度升高而外管壁附近温度降低.     

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.     

基于灰色关联分析的生物柴油微观喷雾特性研究

为探究影响生物柴油雾化性能的主次因素,对B100（棕榈油生物柴油）、N10（生物柴油的体积分数为90%,正丁醇的体积分数为10%）和N20（生物柴油的体积分数为80%,正丁醇的体积分数为20%）的雾化特性进行了试验研究。采用定容弹高速摄影与多普勒粒子分析仪测量系统研究了3种燃油在不同喷孔直径、喷油压力及背压下的微观雾化特性,分析了雾化油滴的轴向速度和索特平均直径D_(SMD)的变化趋势,并在此基础上通过灰色关联理论,计算得到了正丁醇掺混比、喷孔直径、喷油压力及背压对生物柴油D_(SMD)的影响程度。结果表明：B100的D_(SMD)从轴向长度5 mm处的106.74 μm降低到轴向长度70 mm处的57.98 μm,且随着正丁醇掺混比的增加,雾化油滴的轴向速度与D_(SMD)都有所减小。随喷孔直径和背压减小、喷射压力增大,3种生物柴油的D_(SMD)均呈下降趋势,雾化质量得到改善,通过D_(SMD)的灰色关联计算,得到正丁醇掺混比、喷孔直径、喷射压力和背压与D_(SMD)之间的关联度分别为0.507 2、0.755 8、0.607 7和0.789 5,说明背压对D_(SMD)的影响最大,喷孔直径与喷射压力次之,正丁醇掺混比对D_(SMD)的影响最小。     

喷射压力对生物柴油喷雾特性的影响

基于WAVE和KH-RT这2种液滴破碎模型分别对定容燃烧弹内生物柴油喷雾过程进行数值模拟,利用定容燃烧弹试验台架获取生物柴油喷雾过程,通过数值模拟的计算结果与试验参数对比确定最佳的液滴破碎模型。进一步研究喷油压力对生物柴油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特平均直径(SMD)、速度场以及浓度场的影响并与柴油进行对比,结果表明:提高喷射压力,对2种燃料的喷雾贯穿距离都有较大影响,而对其喷雾锥角的影响均较小,但能大幅度降低SMD且均能提高燃料的喷射速度,更易于燃料的破碎蒸发。对比相同工况,生物柴油的破碎雾化效果较差。