空气环境中水滴和半空间弹性体撞击力学行为的数值模拟

通过将拉格朗日方法与欧拉方法相耦合,分析了在空气环境中直径为1 mm、速度为150 m/s的球形水滴对半空间弹性体的撞击过程.通过对液固撞击过程的数值模拟,给出了撞击过程中水滴内部的压力分布及其随时间的变化、液固接触边缘射流的形成及其破碎的过程、被撞击固体的变形特点和等效应力及其随时间的变化.结果表明:水滴和被撞击固体的可压缩性对整个撞击过程有重要影响;在撞击的初始阶段,水滴中产生水锤压力并使固体表面产生相对很大的变形和应力,水锤压力的理论值和数值计算的结果具有较好的一致性,验证了耦合数值计算方法的可行性和精确度;射流出现的时间比激波脱体的时间晚,高速射流对不再平坦的固体表面的强烈剪切作用使固体进一步变形,并且液固接触边缘的压力高于内部的压力.     

液固撞击的非线性波动模型的研究

推导了和于研究液固撞击问题的非线性波动模型，并将其应用于水锤过程及球形液滴与刚性固体平面法向撞击过程的数值分析。通过对水锤过程的模拟分析，给出了液固接触面压力随时间的分布；对球形液滴与刚性固体平面撞击过程的模拟，给出了不同时间液固接触面上无量纲压力分布，以及液滴内无量纲压力的等值线。结果表明，非线性波动模型可以给出详细的液固撞击过程的各物理参量，为液滴侵蚀固体表面问题的研究提供了可靠的依据。结果与精确解吻合良好，从而对非线性波动模型进行了验证。     

单液滴撞击球形表面的涂覆效果

液滴与球形表面的碰撞为喷雾包衣等工程应用的基础．以单液滴与球形光滑表面为研究对象,采用高速相机,分析了在液滴不同撞击速度（0．88～4．43m／s）和不同直径的球面（5～15mm）实验条件下涂覆率的变化．研究了液滴与球面发生碰撞时发生的铺展震荡、涂覆球面、破碎飞溅现象．最后,建立了K值、球面直径与碰撞现象之间的关系图,为理论分析和数值模拟提供依据．     

透平末级叶片材料抗水蚀特性的数值研究

基于非线性显式动力学软件ANSYS LS-DYNA,采用光滑粒子流体动力学和有限元耦合算法(FEM-SPH)建立了汽轮机典型末级叶片基材17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)的高速水柱射流撞击模型,并进行了网格无关性验证,模拟了高速射流与靶材的撞击过程,研究了射流角度、射流速度和表面粗糙度对靶材水蚀特性的影响。结果表明:相同靶材表面结构下,射流角度越大,靶材水蚀越严重;表面粗糙度对水蚀影响较大,10μm凹槽试样的质量损失平均为2μm凹槽试样的1.6倍,2μm凹槽试样的质量损失约为光滑表面试样的1.4倍;提高靶材表面光洁度,能促进水滴压力波的自由扩展,显著降低撞击压力,从而提高材料的抗水蚀性能;射流速度越大,材料水蚀质量损失越多,靶材的水蚀累积质量损失与射流速度成指数关系,拟合得到速度指数约为3.83。     

高速液体撞击下固体材料内的应力波传播

用速度为450 m/s的水射流对具有复杂表面形状的有机玻璃材料进行了冲击实验. 试验表面有转角、台阶、缺口、斜坡等. 用偏振光光学系统和高速摄影机, 观察了固体内应力波的反射、干涉、衍射等传播行为. 在进行高速摄影时, 采用了每秒10⁶幅和每秒5×10⁵幅的摄影速度. 用速度为850 m/s的水射流, 试验了侧向射流对有机玻璃板的冲击破坏力. 实验发现, 固体内的应力波及其传播行为不但与固体的几何形状有关, 而且与液体接触固体表面时的状态有关. 实验证明, 侧向射流具有足够的破坏力, 虽然其头部可能是由小尺寸的雾滴组成. 实验结果将有助于进一步详细分析在高速液/固撞击时材料的动态受力状态.     

双液滴撞击液膜的流动过程研究

通过建立二维数值模型对双液滴同时撞击液膜的动力学特性进行研究。采用VOF方法捕捉气液两相交界面的演化过程。主要探究了双液滴撞击液膜的流动过程,分析了流动过程中速度分布和压力分布随时间的变化情况。结果表明,双液滴撞击液膜时,不仅存在自身撞击液膜的流动现象,液滴之间还会产生相互影响。     

水滴撞击固体表面实验研究

为了研究水滴撞击固体表面的影响因素,利用高速摄影仪记录了水滴撞击不同固体表面的形态变化过程,记录速度为2000f/s.实验是在常温大气环境中进行的,水滴的初始直径固定在(1.8±0.05)mm.对不同材料和不同表面粗糙度的固体表面以及不同撞击角度进行了实验观察,并采用图像处理技术获得不同条件对液滴撞击固体表面行为的影响.实验结果表明:不同固体表面、不同表面粗糙度和撞击角度对液滴撞击固体表面后的润湿行为有非常显著的影响.随着We由50增大到300,液滴撞击在非润湿性表面上会出现部分反弹、反弹甚至飞溅现象;相同固体表面的表面粗糙度增大使撞击过程的接触角变小.     

单液滴撞击高温钢板表面铺展特性实验研究

对液滴撞击高温钢板表面铺展特性进行了实验研究。应用压电式共振腔均匀液滴发生器产生不同粒径不同速度的液滴,撞击400℃的高温不锈钢钢板表面,其中液滴工质为去离子水,撞击表面为2520不锈钢。用高速摄像机及IPP软件进行拍摄及图像处理。实验结果表明:相同韦伯数(We)下,液滴速度对铺展因素的影响大于液滴粒径,随着We增大液滴最大铺展因素增加。液滴撞击过程中We=39.3时液滴处于临界破碎状态。液滴撞击高温固体表面最大铺展因子大于撞击干燥常温固体表面。并且计算得出We与最大铺展因子的关系式。     

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明：低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。     

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。     

高压水射流破碎高围压岩石损伤场的数值模拟

利用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,考虑到一般情况下岩石处于高围压状态,建立了高压水射流冲击高围压岩石的数值模型.分析了高压水射流冲击下高围压岩石的损伤演化过程,指出岩石破碎过程呈阶跃式;通过对比无围压状态下岩石和高围压状态下岩石在高压水射流作用下破碎坑演化情况,指出处于高围压状态下的岩石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的岩石,沿径向的损伤演化受围压影响较小.通过分析4个典型单元在不同速度射流冲击下损伤演化情况,表明在提高射流速度可明显提高射流破岩效率,并在理论上对射流速度与射流破岩性能的关系进行了解释.     

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．     

高压喷射雾化液滴的二次破碎机理

采用射流界面不稳定扰动波雾化分裂理论,分析了单液滴在空气中以极高的速度运动过程中,由于液滴所受内外作用力的不平衡边界条件所产生的表面扰动;建立了液滴二次破碎色散方程,给出了单液滴在扰动波作用下发生二次破碎的最快增长率和相应的最不稳定波长,以及破碎时间和稳定液滴直径;分析了液体粘性、液滴速度对高速运动液滴不稳定性的影响,对液滴雾化机理进行了理论探讨.仿真表明:由作用于高速运动液滴表面的不平衡力,使得液滴界面产生变形加速度,这是导致液滴表面不稳定而进一步分裂的内在动因;粘性对扰动波发展有抑制作用,气液界面运动加速度是控制液滴破碎的重要因素.     

高压水射流切割HTPB推进剂的实验分析

为考察高压水射流对HTPB推进剂在安全条件下的冲击效应和主要射流参数在不同工况条件下的切割效果,利用自研的实验平台,在出口压力60～100 MPa的安全范围内,开展了高压水射流切割HTPB推进剂的实验研究。通过正交实验,以质量损失率为衡量指标,完成了固定式切割中出口压力、靶距、喷嘴直径和喷头转速4个参数的优化。以固定条件下的射流参数为基础,以质量损失率及切割深度为衡量指标,分析得出移动式切割中出口压力、靶距和横移速度3个因素对切割效果的影响规律。实验结果表明：固定式切割中的射流参数存在最佳值,即当出口压力为96 MPa、靶距为20 mm、喷嘴直径为0.3 mm、转速为3 000 r/min时,切割损失率最高为68.3%。在此工况下开展移动式切割实验可知,质量损失率和切割深度与出口压力的增大基本呈正比关系,与靶距的增大呈反比关系,并且随横移速度的增加呈衰减趋势。     

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

电磁磨料射流增压特性参数优化研究

针对前混合磨料射流设备存在连续性差和后混合磨料射流系统磨料混合不均匀等问题,论文基于电磁磨料浆体射流技术,采用数值模拟分析和实验研究相结合的方法对影响电磁磨料浆体射流增压特性因素进行深入研究。依据前人研究结果,采用数值模拟预测磁通密度和电压两参数对导电介质出口速度及其动能影响情况,搭建了试验平台,结合正交试验特点,并进行试验。试验表明：磁通密度对射流增压特性影响最大,电压次之,验证了数值模拟分析结果,且在磁通密度为0.7 T,电压值为72 V,导电介质浓度选为18 %,极板间距为0.025 m情况下,射流增压特性效果最好。     

基于流体喷射原理的室内空间自然换气研究

针对目前室内空间换气技术的不足,提出了一种新型的射流泵,对室内空间进行自然换气,并以2.2 m/s的风速为例,采用FLUENT数值模拟,来研究射流泵在室内空间自然换气的可行性.得到了喷射器的压力和速度分布图.直观地了解射流泵内部的流体流动方式和过程,并用实验进行比对.证明数值模拟的正确性,同时也证明了射流泵对室内自然换气的可行性.     

液滴对降落伞织物冲击的数值研究

为了研究液滴对降落伞织物的冲击作用,分别建立了液滴的流场网格模型和织物的结构网格模型。 利用试验得到织物的透水率参数,通过双向流固耦合的方法,进行了不同工况下液滴冲击织物的数值仿真。分析了液滴外形的变化特征以及织物所受撞击力的影响因素。将数值结果和试验结果进行了对比,结果表明：数值计算结果与试验结果基本一致,验证了本方法的可行性和正确性。