王健[1]2003年在《激波与液滴、液雾相互作用的实验和理论研究》文中研究说明本文针对国家自然科学基金重点项目“粉尘和气云工业爆炸灾害新的防治方法及其原理的研究”的子课题—水雾抑爆机理，进行了激波与液滴、液雾相互作用的实验和理论研究。 在长5米，截面为60×60毫米的卧式激波管上，进行激波诱导气流与液滴相互作用的实验研究。采用YA—16高速照相机，详细研究了液滴在激波作用下变形、剥离、破碎、雾化的全过程，并讨论了液滴的破碎模式、激波强度和液滴直径对液滴破碎时间的影响。 在长5.4米，内径0.2米的立式激波管上，进行爆炸波在液雾中的传播规律的实验研究。系统研究了液雾对爆炸波的抑制作用，并讨论了液雾的浓度、雾粒直径、激波强度对抑爆效果的影响。 基于双流体模型，利用Euler-Lagrange组合方法，对爆炸波在液雾中的衰减过程进行了数值模拟。用TVD格式和MacCormack格式分别求解气相方程和颗粒相方程。计算结果揭示了：液雾对爆炸波有明显的抑制作用，并且液雾密度越大、雾粒直径越小，对爆炸波的抑制作用越好。计算结果与实验现象相吻合表明：本文采用的数值处理方法是可行的。
张博[2]2008年在《激波与微粒相互作用实验研究》文中提出本文对气溶胶抛撒形成云团过程进行理论分析及相关分解实验研究,研究内容包括激波驱动液体/固体微粒初始阶段内外界面的运动规律,云团形成过程中云团形态、颗粒尺寸、浓度等特性参数的确定及液滴的变形、破碎过程。研究结果表明,弱激波(马赫数Ms=1.05～1.26)诱导气流作用下的水滴(直径d_0=1～2mm)瞬间变形和破碎过程是剥离破碎,其过程分为两个阶段,第一个阶段是液滴变形,变形时间在几百微秒量级;第二个阶段是液滴剥离雾化,剥离雾化时间在几毫秒量级。不同马赫数的激波与液滴相互作用时,液滴达到相同变形程度需要的时间是不同的;并且所需时间与激波强度(马赫数)成反比。破碎时间与激波马赫数成反比;在相同的激波作用下,液滴直径越大,其破碎时间越长。实验表明,固体颗粒的抛撒云团形成和粒子轨迹与激波强度、颗粒材料性质、粒径大小和浓度等多个因素有关系。在抛撒过程中,流场的变化是从小颗粒高浓度流场变化到气固混合气流稀疏流场,这种变化过程包括复杂的两相流。考虑到冲击波与固体颗粒相互作用动力学特性,固体颗粒开始运动时,无论是在纵向和横向方向颗粒群高速照片立即变暗,纵向和横向颗粒云团体积增加,意味着其平均浓度是减小的。
张珂[3]2015年在《激波作用下多根液柱变形破碎的机理》文中研究表明不同形状的液体在激波作用下所产生的变形与破碎现象是一个典型的多相流体力学问题,研究液体变形和破碎的机理有许多工程和科学上的应用。如降低高速飞行中航空体在经过雨云时承受雨滴侵蚀的损害,提高爆轰发动机和火箭发动机中液体燃料燃烧的效率与稳定性,激波抛撒等。本文在激波与单排液柱相互作用的基础上,在水平激波管中对激波与多根液柱相互作用进行了实验研究,并对实验过程进行了数值模拟计算,目的是揭示激波作用下多根液柱变形破碎的机理。实验研究在3.5m长的方形水平激波管中进行,利用电破膜方法产生马赫数为1.2的平面激波。通过自行设计的液柱产生装置形成竖直方向上间距为4mm的多根直径为2mm的液柱,激波冲击液柱后,利用阴影法、直接拍摄和平面激光片光技术记录了多根液柱在竖直方向截面和水平方向截面变形破碎的过程,并对得到的实验结果进行了定量分析,得到了在激波作用下不同根数液柱之间的变化过程与变化差异。数值模拟计算利用Gambit、Fluent等CFD计算软件以及Tecplot、Origin等数据后处理软件完成。利用多相流VOF模型和标准k-ε湍流模型,计算了单根液柱和叁根液柱在激波作用下的变化过程,得到了激波与液柱相互作用过程中液柱及周围流场的物理特性,进一步对液柱的变形破碎机理进行了分析。通过分析实验研究和数值模拟结果,本文得出以下结论:(1)激波冲击在竖直方向上排列的多根液柱后,无论液柱根数的多少,都会经历压缩变形、液滴从液柱上剥离、液柱做加速运动以及最后迎风面产生尖钉和气泡的结构而发生失稳现象的过程。(2)通过定量测量发现,液柱的压缩变形是从迎风面运动开始,液柱的轴向混合宽度随时间先减小后呈线性增长,液柱迎风面位移呈非线性增长,并且随着液柱根数的增大,混合宽度增长的更快,而迎风面位移增长变慢。(3)定量测量了单根液柱和叁根液柱迎风面尖钉和气泡结构的增长规律,发现其都呈线性增长趋势,但叁根液柱中液柱间迎风面失稳现象不一致,出现失稳现象的液柱其增长速度要快于单根液柱。(4)首次利用平面激光片光技术测量了液柱水平方向截面的变形过程,液柱的变化模式类似于液滴的剪切破碎模式,单根液柱径向宽度先增大后减小,而叁根液柱径向宽度则先增大后减小再增大。(5)数值模拟得到了激波在经过液柱时水平方向上的波系变化,相比于单根液柱,叁根液柱波系变化更加复杂,使其周围的流场特性也更加复杂,激波的作用为之后液柱的变化规律奠定了基础。(6)二维和叁维数值模拟得到了的液柱变形破碎过程以及周围流场的变化过程,定量测量了液柱的径向宽度变化及迎风面尖钉和气泡结构变化,与实验对比发现有相同的变化规律,但受计算软件的限制,数值模拟数据和实验数据有一定差别。
熊红平[4]2016年在《激波冲击下液滴变形破碎过程的实验和数值研究》文中认为激波冲击下液滴的变形破碎问题是一个典型的多相流体力学问题,激波与液滴的相互作用还会造成典型的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象,研究液滴在激波作用下的变形破碎问题具有许多的工程和科学应用价值,比如超音速雨滴侵蚀,多相混合物的燃烧和爆炸,液体雾化等。本文在激波管中对液滴在高速气流中的变形破碎进行了实验研究,并对激波与液滴的相互作用进行了数值计算研究。本文在竖直激波管和横式激波管中对激波与液滴的相互作用进行了实验研究,利用电热破膜方法产生了较宽范围的激波马赫数(1.28-4.04),通过高速相机直接拍摄和激光纹影方法结合高速相机拍摄获得了液滴在激波作用下的变形破碎过程和形态特征,定量分析了液滴的位移,横向变形和轴向变形随时间的变化关系,同时分析了液滴粘性对液滴变形破碎特性的影响。本文的数值模拟计算利用Gambit、Fluent等CFD计算软件完成。采用多相流VOF模型和k-?湍流模型对水液滴和电子氟化液液滴在不同气相中的变形破碎过程进行了二维数值模拟,得到了激波与液滴相互作用后液滴及周围流场的物理特性,进一步分析了激波冲击下液滴的变形破碎机理。通过对实验结果和数值模拟结果的分析,本文得出如下结论:1.激波经过液滴之后,液滴会经历变形-剥离破碎两个主要阶段;不同粘性液滴在激波作用下的变形破碎方式均为剥离破碎。2.液滴表面张力越小,液滴越易变形破碎,且变形破碎速率越快;在液滴变形破碎过程中,气液密度比越大,液滴越容易变形破碎,在液滴变形破碎过程中为不稳定性因素。3.在不同的液滴粘性情况下,液滴的初始加速度值都近似于一个常数,同时液滴的初始加速度是激波马赫数的递增函数,并且液滴的加速度随着液滴粘性的增加呈减小的趋势。4.液滴的横向变形都经历了先增大后减小的非线性变化过程,轴向变形是一个先减小后增大的变化过程,液滴横向变形的最大值随着初始液滴直径的增大而增大,随着激波马赫数的增大而增大,液滴的横向变形尺寸随着液滴粘性的增加呈现先增大后减小的变化趋势,横向变形的最大值亦呈现相同的变化趋势。5.液滴的粘性越大,液滴开始变形和破碎的时间越晚,液滴的变形破碎随液体粘性的增大而减小,说明粘性在液滴破碎过程中始终起着阻碍抑制作用。6.液滴的迎风面在波后气流的作用下会出现变形失稳现象,并发展演变出“尖钉”结构,液滴粘性越低,RM不稳定性发展速率越快,同时“尖钉”的数量随着粘性的增加出现先增大后减小的变化过程。7.数值模拟得到的压强、速度和涡量有相似的变化趋势,但变化速度不同,数值模拟结果与实验结果在液滴变形阶段的变化趋势较为一致,但剥离破碎阶段存在明显差异,在电子氟化液滴在空气中的数值计算模拟中,我们发现在液滴的迎风面出现了“尖钉”结构,该“尖钉”结构在其他的数值计算中并未发现,同时在与之对应的实验中也没有出现类似的“尖钉”结构。
张绍杰[5]2006年在《激波与燃料液滴相互作用的实验研究》文中进行了进一步梳理本文属于热能工程研究领域，课题源于国家自然科学基金《燃料液滴激波助燃研究》中的一部分，本课题对激波与燃料液滴相互作用的现象进行系统的实验研究。 在文献调研和理论分析的基础上，对激波—燃料液滴相互作用实验装置进行了设计和加工，确定了卧式激波管高压段与低压段的长度比，对方形截面60×60mm~2的卧式激波管末端测试段进行了独立设计和加工，研制了燃料液滴发生设备，最后利用YA—16多闪光高速阴影照相机拍摄该过程的分幅照片，着重分析了不同马赫数、不同燃料下激波与燃料液滴相互作用所导致的液滴变形、剥离破碎、雾化等各种物理现象，研究了各自物理过程相互间的耦合作用，为今后进一步研究和发展燃料液滴的激波助燃现象，进而应用于脉冲爆轰推进技术提供基础数据及物理现象。
饶丽芳[6]2010年在《激波与微粒相互作用研究》文中进行了进一步梳理激波与微粒相互作用在民用粉尘爆炸和军事上云爆武器等领域都有应用,具有很重要的研究价值,成为了近年来学术界关注的热门课题。但因该过程涉及到各种复杂的流体动力学、空气动力学、爆炸力学以及热交换等,研究成果还很不完善,仍需大量深入研究。本文设计了专用激波管实验装置,采用实验观测和数值模拟方法对激波与微粒的相互作用进行了系统的研究。其中,实验中系统地考察了激波强度、液膜厚度、颗粒尺寸、物体密度(如火焰、水、钢板)等因素对激波与微粒的相互作用流场特征的影响,数值模拟研究了爆炸抛撒形成气溶胶过程参数。主要创新性研究成果如下：(1)激波距激波管口距离15mm处发展成为完全膨胀波,与液膜作用所形成的液雾均匀；当激波在激波管出口出与液膜作用时,由于激波为欠膨胀流,激波与液膜作用面小,所形成的液雾不均匀；(2)相同马赫数激波作用下,不同厚度液膜雾化所形成的云团形状不同；随着初始液膜厚度增加,云团形状由纺锤体状向球状转变,而云团体积呈现出先减小后增大的U形抛物线变化规律；(3)同液膜厚度下,云团均匀程度与马赫数成正比；激波与不同粘性液膜作用后所形成的云团形状不同,粘性大液体云团有凹陷点,随着时间推移,凹陷点处出现峰状,同时表面张力小的液体云团边缘更易形成树枝状液丝；(4)激波与固体颗粒作用后,颗粒的水平移动速度明显小于竖直方向,初期颗粒的运动轨迹为规则的抛物线,颗粒云形状为圆锥体。而且在相同马赫数下,颗粒抛撒初速度和反射激波强度都与颗粒粒径成反比关系；(5)激波与不同密度物体作用时,物体的初期变形驱动力及变形不同；对于低密度物体,入射激波是其变形的主要动力,且空气能侵入其中；对于较高密度物体,透射激波是主要变形的主驱动力,空气不能侵入其中；对于高密度物体,作用初期绕射激波为主驱动力,后期则是透射激波和绕射激波共同作用,空气也不能侵入其中；(6)运用不同机制建立了液体抛撒数学建模,模拟计算得出首次破碎液滴尺寸为毫米量级,同时,液滴分布呈现出靠近外壳和靠近爆轰产物区域液滴较大,而两层中间大部分低密度区为小尺寸液滴的径向分布特征。
徐晓峰[7]2002年在《碳氢燃料爆轰特性的研究》文中研究表明本文详细研究了几种碳氢燃料空气混合物(工业燃料C_5H_(8.68)和环氧丙烷)的爆轰反应特性。主要内容如下：在不同型号的激波管中进行了激波与水滴相互作用的研究并分析了激波对燃料的作用。研究发现水滴在激波作用下经历一个变形、破碎和雾化过程，只有水雾密度达到一定值，激波在水雾中的衰减才明显。在立式激波管中测试了工业燃料C_5H_(8.68)的临界起爆能、爆速、爆压、爆轰极限，得到了爆轰参数与当量比之间的关系；从爆轰反应是一个链反应机理出发，分析碳氢燃料的反应动力学过程。在常压和负压两种条件下测试了环氧丙烷(PO)在激波管中的胞格尺寸，分别测得了规则和不规则的胞格结构烟迹，得出了胞格宽度与当量比是“U”型曲线关系的结论；并分析了云雾爆轰的反应机理。对已有模型进行了改进，计算和分析了PO云雾爆轰的反应区和CJ面上的爆轰参数。
吴里银[8]2016年在《超声速气流中液体横向射流破碎与雾化机理研究》文中进行了进一步梳理本文基于超燃冲压发动机燃烧室内液态碳氢燃料的喷注方式与喷注环境,提出超声速气流中液体横向喷射这一研究课题,采用试验研究与理论分析相结合的方法,对超声速气流中液体横向射流(Liquid Jet in Supersonic Crossflows,简称LJISC)的破碎雾化过程进行研究,旨在揭示射流柱变形与破碎机理,掌握破碎与雾化的内在规律。首先从宏观结构上认识LJISC的气体流场和液体流场。通过高速纹影方法捕捉到清晰的弓形激波、分离激波、分离区等气体流场结构,对弓形激波脱体距离、弓形激波角度、弓形激波空间振荡特征和分离区大小等开展定量化分析。采用超声速PIV方法对中心对称面上的射流/喷雾进行“冻结”成像,分析射流/喷雾瞬态结构特征,发现表面波、喷雾块和大尺度拟序涡等结构,明确提出按结构特征将液体流场分为表面波主导破碎区、快速雾化区和均匀混合区叁个区域。然后重点针对LJISC的液体流场展开研究。基于PIV设备发展了脉冲激光背景成像技术,利用溶胶介质的丁达尔散射效应对激光去干涉和均匀化,实现了对超声速射流/喷雾结构的高时空分辨率连续捕捉,以试验方法证实了LJISC中表面波结构的真实存在性,发现了喷雾块结构、液滴剥离现象以及拉丝现象等流动特征。分析了表面波结构和喷雾块结构的时间演化特性,基于图像特征匹配方法对其速度空间分布和沿程加速特性进行研究,通过受力分析揭示了近喷孔区域流动结构产生和发展的内在原因。利用相位多普勒分析仪(Phase Doppler Anemomitry,PDA)和超声速PIV技术对射流一次破碎后喷雾场的液滴粒径分布和速度分布开展测量研究。分析了均匀混合区拟序涡结构的时间演化规律,并对射流/喷雾速度场结构进行了研究。测量了喷雾场的液滴粒径分布,分析了空间单点上液滴粒径的统计分布规律,研究了喷雾场索泰尔平均直径(SMD)沿空间的变化规律,对比了不同工况条件下SMD的分布规律。结合速度和粒径的空间分布,对LJISC的雾化过程中小液滴聚合和大液滴破碎的竞争机制进行探索。提出边界带概念,定义新的无量纲参数-喷雾分数(γ)定量化描述射流/喷雾的振荡分布和浓度分布。基于脉冲激光背景成像结果对射流/喷雾的纵向空间分布开展研究,计算得到喷雾分数的空间分布,开展了多参数协同作用下喷雾分数分布的规律研究,建立了能够定量描述射流/喷雾边界振荡过程和边界带区域液雾浓度分布的纵向边界带模型。利用倾斜成像的PIV方法结合喷雾分数概念研究了射流/喷雾横截面分布规律,发现了横截面分布呈“Ω”型,首次用数学方法定量化描述横截面分布,并建立了LJISC的叁维空间分布模型。
刘静[9]2010年在《超声速气流中横向燃油喷雾的数值模拟和实验研究》文中指出使用液体碳氢燃料的超燃冲压发动机中的雾化是其工作中的一个重要环节,它对提高发动机的性能起着至关重要的作用。由于超声速气流中燃料射流从喷出到完全雾化的时间为毫秒量级,气流速度很快且液雾浓密,所以对观察和测量都带来一定的困难,到目前为止雾化的具体过程和雾化机理还不清楚。传统的对雾化过程的数值模拟方法主要是拉格朗日粒子追踪方法,这种方法借助于雾化模型对雾化过程进行模拟。现有的雾化模拟存在以下一些问题:1、大多是半经验模型,存在经验常数,实验数据大多来源于低速气流中的雾化实验,不一定完全适用于超声速气流中的射流雾化。2、由于对雾化机理的认识欠缺,一次雾化模型缺乏理论基础,属于简化计算。本文从数值模拟和实验两方面对超声速气流中横向射流雾化过程进行了研究。对于超声速气流中横向射流雾化过程的数值模拟,本文采用了两种截然不同的方法进行研究,分别是界面追踪方法和拉格朗日粒子追踪方法。界面追踪方法对射流雾化的具体演化过程进行研究,对液柱和液滴的界面变形破碎过程进行了数值模拟。目前大部分的界面追踪方法仅限于不可压流动。由于本研究中涉及的气流可压缩而雾化燃料近似不可压,所以为在整个流场中对二者进行统一求解,本文采用了高精度PPM方法结合体积分数模型来模拟多介质可压缩流动。对一次雾化过程研究了不同来流速度和不同喷孔直径对射流形状和穿透深度的影响,发现来流速度减小后,射流穿透深度增高,展向宽度基本不变。喷孔直径增大将导致射流展向宽度变大,穿透深度增大。而对二次雾化过程的研究发现,来流速度增大后,液滴四周被剥离的程度增大,破碎后的产生的液块更小、更多。当液滴直径增大后,在相同来流条件下,液滴在相同计算时间内保持完整性,更不易破碎。拉格朗日粒子追踪方法中,首先研究了通用的一次雾化模型如Blob模型,和二次雾化模型如TAB、K-H波以及改进后的混合雾化模型在超声速气流条件下对雾化过程模拟的适用程度,并与实验测量结果进行了对比。拉格朗日粒子追踪计算中,主要研究了以下几个方面的内容:1、不同雾化模型的经验参数对计算结果的影响规律;2、针对超声速气流的特点,对混合雾化模型的时间判断准则结合实验结果进行了改进。通过对几种雾化模型的研究对比发现,改进后的混合雾化模型更适用于超声速气流中横向射流的雾化计算。3、研究了雾化过程中气相湍流度、动压比以及蒸发模型对计算结果的影响。4、进行了叁维拉格朗日雾化计算,研究了液相场和气相场的特点。鉴于界面追踪方法不适合对细小的液滴进行追踪,而拉格朗日方法无法真实模拟射流未充分雾化部分,本文尝试将界面追踪和拉格朗日粒子追踪方法结合起来,通过一个简单的方法转化条件,实现了两种方法耦合求解。应用耦合求解方法对整个雾化过程进行了计算。采用耦合方法对一次雾化和二次雾化进行了初步研究,通过与实验结果对比发现,耦合方法结合了两种方法的优点,能对真实的雾化过程进行更加全面的数值模拟,单独使用一种方法很难模拟的问题,采用耦合方法能更好的解决。实验研究方面,本文采用纹影法对超声速气流中射流雾化过程进行了初步实验研究,得到了穿透深度的拟合公式,并与计算结果进行了对比。另外,作为界面追踪的尝试计算,本文还采用Level Set方法对不可压流动中的液滴的二次雾化进行了详细研究。计算得到了亚声速气流中几种典型的二次雾化模态,并分析了韦伯数(Weg)、液体雷诺数(Rel)、气体雷诺数(Reg)和密度比(γ)等无量纲数对破碎过程的影响。
刘晨[10]2009年在《复杂燃烧流场数值模拟方法研究》文中认为随着吸气式高超声速飞行器的发展,超声速燃烧冲压发动机的研究得到了世界各国的高度重视。超燃冲压发动机燃烧室工作过程复杂,其内部流场是复杂的叁维流动,充满着激波、膨胀波、燃烧波、各种涡系、附面层及其相互之间的干扰,对于液态燃料还包含燃料的雾化、变形、蒸发、碰撞、破碎等复杂的物理过程。作为燃烧室设计的关键技术,复杂燃烧流场数值模拟技术的重要性日益显现。本文结合计算流体力学、燃烧学、传热学、多相流等学科,针对燃烧流场中涉及的化学反应、宽马赫数范围、气液两相流掺混等复杂流动现象,发展了基于非结构/混合网格的全速域高效数值模拟算法及大规模分布式并行计算技术,为先进飞行器推进系统的设计提供了有效手段。考虑到在超燃冲压发动机概念设计和初步设计阶段,需要大量分析推进系统的性能,本文发展了一种能够对燃烧室性能进行快速评估的一维流分析方法。对该方法中涉及的控制方程、经验模型、计算方法等方面进行了详细讨论,采用Billig实验模型进行了数值验证,并对一种典型超声速燃烧室几何与燃料喷口参数等对燃烧室性能的影响作了数值分析,分析结果可以给燃烧室的初步设计提供依据。针对气态燃料燃烧流场,以多组分N-S方程为基础,利用高阶迎风格式、湍流模型及有限速率化学反应模型等,发展了基于非结构/混合网格的可应用于全速域燃烧流场数值模拟的大规模并行计算方法。空间离散格式包含AUFS、Van Leer、AUSM+和HLLC/E等迎风分裂格式;湍流模型包含S-A一方程、k-εCMOTT和k-ωSST两方程湍流模型。以对称边界为例,讨论了人工边界条件处理方法对计算结果的影响;利用量级分析的方法,研究了在低马赫数情形时采用预处理方法的必要性和有效性;并详细介绍了几种常见通量分裂格式的预处理方法。利用多个经典算例对本文发展的算法进行了分析和验证。计算结果表明,本文发展的算法对无粘流、层流、湍流、反应流、全速域流等都具有较好的计算精度和可靠性。针对液态燃料燃烧流场,采用Eulerian-Lagrangian方法,基于随机轨道模型,整合现有的液滴蒸发、变形、二次破碎、碰撞聚合、气液相间作用等模型,在气态燃料燃烧数值模拟算法基础上,发展了基于非结构/混合网格的液态燃料燃烧流场数值模拟的大规模并行计算方法。通过验证算例检验了本文发展的气液两相流算法中各子模型的可靠性和计算精度;最后通过Lin的水横喷实验和结合氢引导火焰与凹腔的煤油超燃算例的分析研究,表明了本文开发的算法对液态燃料燃烧流场的模拟能力。
参考文献：
[1]. 激波与液滴、液雾相互作用的实验和理论研究[D]. 王健. 南京理工大学. 2003
[2]. 激波与微粒相互作用实验研究[D]. 张博. 南京理工大学. 2008
[3]. 激波作用下多根液柱变形破碎的机理[D]. 张珂. 浙江理工大学. 2015
[4]. 激波冲击下液滴变形破碎过程的实验和数值研究[D]. 熊红平. 浙江理工大学. 2016
[5]. 激波与燃料液滴相互作用的实验研究[D]. 张绍杰. 南京理工大学. 2006
[6]. 激波与微粒相互作用研究[D]. 饶丽芳. 南京理工大学. 2010
[7]. 碳氢燃料爆轰特性的研究[D]. 徐晓峰. 南京理工大学. 2002
[8]. 超声速气流中液体横向射流破碎与雾化机理研究[D]. 吴里银. 国防科学技术大学. 2016
[9]. 超声速气流中横向燃油喷雾的数值模拟和实验研究[D]. 刘静. 北京航空航天大学. 2010
[10]. 复杂燃烧流场数值模拟方法研究[D]. 刘晨. 南京航空航天大学. 2009