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[期刊论文] 易翔宇 朱雨建 杨基明
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:以实验结合数值模拟与理论分析的方法,研究韦伯数在2100~2700区间内,不同组合流动参数对液滴破碎初期变形的影响与作用机制.实验中通过高速摄影捕捉到一系列具有明显差异的液滴变形模态,表明在相近韦伯数下液滴的初期变形仍受到气流速度、密度等具体流动参数的显著影响.以刚性球体替代液滴进行外流数值模拟,利用球体表面气动力分布推算出的液滴表面变形趋势与实际变形形态吻合,表明液滴的初期变形特征与外流流动分离和涡特征具有一致性.对流场和理论变形数据的分析显示,流动分离发展阶段和稳定阶段对液滴作用力以及它们所诱导的液滴变形特征存在很大差异;分离发展与液滴变形过程的特征时间之比可由气液密度比的平方根表示,它决定了液滴早期变形的基本形态.分离发展阶段所占时间比例越高,即实验中气液密度比越高,则液滴更倾向于发展出单个显著的环形突起,反之则趋于形成多个相对均衡的突起.
[期刊论文] 易翔宇 朱雨建 杨基明
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:基于激波管平台和高速摄影方法对平面激波诱导高速气流中液漓的早期变形现象进行实验研究.研究发现在相近的We数或Re数下,实验参数的改变可导致液滴形态发展出现显著差异.这种差异主要体现在背风面的脊状环形突起、褶皱区以及后驻点区的凹凸形态.对刚性圆球外流的数值模拟显示,液滴变形早期形态与外流场结构和表面气动力分布之间存在鲜明的对应关系.最后采用简化理论推导出一组估测液滴早期变形的表达式.将数值模拟所得气动力数据代入计算发现:导致液滴变形的主要驱动力是液滴表面不均匀压力的挤压效应,而不是界面剪切摩擦所引起的切向流动堆积效应,前者高出后者约2个数量级;此外,采用压力作用理论计算所得液滴外形在主要变形特征和变形量级上均可与实验图像很好地吻合.
[博士论文] 易翔宇
流体力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高速气流中液滴的变形与破碎是两相流体力学研究中的经典课题,具有丰富的工程应用背景。本文利用实验观测激波诱导气流中液滴变形和破碎过程,并通过数值模拟与理论分析,揭示液滴变形的流动机理以及流动参数对液滴变形的影响机制。主要工作和结论包括如下三个方面:
  首先,利用激波管平台系统化地开展大量液滴破碎实验(We>350),并以高速摄影对激波诱导气流中液滴的变形和破碎进行观测。实验图像清晰地揭示了液滴在破碎初期的大量变形细节,如整体的扁平化、迎风面的细碎波以及背风面的环状突起等。通过调节来流和液滴参数,液滴在不同来流密度、来流Mach数、外流Reynolds数,以及不同液体粘性条件下的变形规律得以呈现。实验结果表明,在相近的Weber数条件下,液滴破碎整体上服从相同的机制,但其破碎初期的变形表现出多种不同的形态,其差异主要体现于背风面环形突起。通过解耦内外流,本文分别研究液滴外围气流流场的发展特征与液滴内部流动导致液滴表面突起变形的机理,并通过理论获得“剪切诱导液滴表面堆积”和“正压力诱导液滴径向变形”两种机制下液滴表面的径向加速度表达式。对比结果表明,液滴表面压力的分布不均为环形突起生成的最主要诱因。已知外流场条件下,通过理论可对破碎初期液滴的变形进行预测,其突起位置与相对幅度与实验结果高度吻合。
  其次,通过研究多条件下外围流场的发展特征,对液滴破碎初期的多种变形形态的形成进行解释。激波扫过液滴后,背风面迅速形成一个低压区域,其持续时间与外围流场发展的特征时间近似成正比。因此,外围流场发展的特征时间与液滴变形特征时间之比,决定了该低压区域在整个液滴变形过程中的贡献程度,因而很大程度上决定了液滴的变形形态。此外,在其它参数不变的条件下,气流Mach数的提高倾向降低整个回流区的总压,从而削弱液滴背风面的压力梯度,抑制环形突起的生成。外流Reynolds数的提高增加了流场的非定常性,使回流区产生涡系振荡,从而增加环形突起的数量,同时抑制每个突起的幅度。液体粘性(Oh数)的增加总体上抑制了环形突起的发展,但不改变相同时刻突起的位置和特征。
  最后,本文基于所得实验图像和数据,对比考察了现存多种液滴破碎模型。基于液滴扁平化数据的考察表明,液滴变形初期扁平化速率与Burgers理论预测吻合较好,随后液滴粘性和表面张力的影响逐渐显现,实验结果转而向TAB模型靠拢。针对相对较高Mach数来流下液滴背风面总压的降低,本文对Burgers扁平化理论的公式进行了可压缩性修正。对液雾形成机制的考察表明,液滴赤道附近的液雾在较低和较高Weber数区间内分别服从“薄层细化”机理和“剪切剥离”机理。在接近SIE-RTP临界Weber数的条件下,甘油液滴的表面会形成剥离的薄层,但由于粘性作用,液雾产生时间远高于理论预估。
摘要:液滴在高速气流破碎过程中,初期的变形形态对后期破碎过程及液雾粒径分布有直接的影响。不同来流条件下,液滴背风面存在数量与发展规模各异的环状凸起,使液滴整体呈现出不同的形态。已有研究将其归结为分离流动在液滴表面的压力与剪切共同作用的结果,但其内在机理与随参数变化的规律尚不明晰。本文通过数值模拟方法,对激波诱导气流中液滴背风面的分离形成、发展与稳定的流动细节和过程进行研究,并探讨流动对液滴早期变形的影响。对液滴破碎特征时间的提取和分析表明,分离发展与液滴变形具有不同的时间尺度,其特征时间之比为气液密度比的平方根。因此,气液密度比决定了分离发展的非定常过程对液滴早期变形的贡献大小,从而也导致了液滴变形早期多样化的背风面形态。依照由高到低的气液密度比,液滴破碎初期的变形由分离产生过程主导的变形向稳定分离主导的变形转化。这一规律与实验观测相吻合。
摘要:基于对重活塞止退装置的研究,研制了单冲程重活塞实验装置,并利用其产生和维持较长时间的高温高压环境,使用高速相机拍摄单滴燃料在超临界状态下的行为。结果表明:在氮气环境中,燃料液滴由于剧烈汽化直径迅速变小,同时轮廓模糊,流动性增大;在空气环境中,燃料液滴先出现汽化现象,随后汽化部分剧烈燃烧,液滴部分燃烧时间较长,可达秒量级。
摘要:本文研究活塞驱动器在压缩终点的活塞止退问题。提出利用槽内楔块的前后运动实现重活塞,给出了两种楔块止退结构和测得的驻室气体p-t曲线。结果表明:两种止退结构均可有效地阻止低压时的活塞回弹。在低压条件下,得到压缩终点后的p-t曲线近似为平台。但在高压条件下,该装置只有部分止退作用。活塞在压缩终点略有回弹,p-t曲线自峰值压力下降后仍保持为平台。本文结果初步验证了活塞止退概念,为后续止退装置摩擦材料的选择和结构的优化设计提供了初步的基础。
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