旋转气体介质对环膜液体射流破碎不稳定性影响的研究

利用线性不稳定性理论研究了旋转气体介质对黏性环膜液体射流破碎的影响。研究结果表明，无论是轴对称模式还是非轴对称模式，由液体环膜内部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的失稳因素，有助于液体射流的破碎。另外，由液体环膜外部气体介质旋转所产生的离心力是液体射流的促稳因素，不利于液体射流的破碎。当相同强度的旋转同时存在于内部和外部气体介质中时，对于轴对称模式，内部气体介质的影响显著，而对于非轴对称模式，则外部气体介质的影响更为明显。通常情况下，非轴对称模式的扰动增长率强于轴对称模式的扰动增长率，因此会在环膜液体射流的破碎中占据主导地位。     

具有线性温度分布的射流失稳研究

基于线性稳定性理论,针对具有线性温度分布的液体射流分裂过程,建立了射流扰动控制方程,给出了扰动方程在气/液分界面上应满足的边界条件,推导出了描述存在温度扰动的圆柱形液体射流自由表面三维扰动发展的色散关系;模型中同时考虑了空化气泡、射流周围气体的旋转以及射流和周围气体的可压缩性;对建立的数学模型及相应的求解方法进行了验证.在此基础上,分析了非轴对称扰动下具有线性温度分布的射流表面扰动波数和扰动增长率的演化,讨论了存在温度扰动时,空化气泡、气体旋转以及射流和气体可压缩性对射流稳定性作用的变化.结果表明:温度扰动的存在不仅会对液体射流稳定性产生较大影响,使得最大扰动增长率明显增大,扰动波波数范围显著拓宽,而且还会对空化气泡、气体旋转以及射流和气体可压缩性对射流稳定性的作用产生一定的影响.     

同轴旋转可压缩气体中液体射流形态

基于非线性稳定性理论,在同时考虑射流周围气体同轴旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气体中含空泡液体射流稳定性的色散方程,并验证了色散方程及其求解方法的正确性.在此基础上,进行了同轴旋转可压缩气体中含空泡液体射流形态的研究.结果表明:周围气体的同轴旋转改变了射流表面的占优扰动模式,即扰动模式由轴对称扰动占优转变为非轴对称扰动占优;随着气体同轴旋转强度的增加,射流周向形态的变化越来越明显,射流表面会逐渐形成越来越多凹凸不平的波纹.射流及其周围气体的可压缩性对射流周向形态的影响不明显,但会对射流的轴向形态产生一定作用.总体上看,空泡的存在对射流形态的影响弱于气体同轴旋转的影响.通过研究进一步完善了液体射流稳定性数学模型,加深了对液体射流分裂与雾化机理的理解.     

同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流形态研究

采用射流线性稳定性分析方法,考虑液体黏性、周围气流的同轴旋转运动以及可压缩性的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流的数学模型,并进行了验证,研究了气流量纲为1旋转强度以及流体物性对液体射流不稳定形态的影响．研究表明：周围气流的旋转速度较小时,对射流起促稳作用,继续增大气流量纲为1旋转强度,开始对射流起促分裂作用;且随着气流旋转强度的增大,射流扰动沿周向方向发展,射流柱变的高度不对称．在研究参数范围内,气体可压缩性和气/液密度比均能促进射流的失稳,并会影响射流空间形态,尤其是在周向方向上能够改变射流的占优模式,增强射流的不对称性;液体黏性以及表面张力对射流均具有增强稳定性的作用．     

幂律流体气流雾化射流不稳定性分析

基于射流不稳定性理论系统研究了一个圆柱形可压缩气流喷入有限厚度的幂律流体的时间模式不稳定性.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,推导了表征轴对称模式幂律流体气流雾化射流不稳定性的色散方程.通过数值计算,分析了液相雷诺数、韦伯数、气/液密度比和速度比、气流马赫数以及幂律指数对于剪切变稀流体与剪切变稠流体两种情形气流雾化射流的不稳定性影响.结果表明:无论是剪切变稀情形还是剪切变稠情形,液体的黏性力总是抑制其不稳定性,减小幂律指数均可促进幂律流体气流雾化射流的不稳定性.随着气流速度的不断增大,由气/液相互运动导致的剪切波逐渐主导幂律流体气流雾化射流的不稳定性与破碎过程.当液相的参数保持不变,增大气流密度、气流速度以及气流可压缩性均可有效地促进幂律流体气流射流的破碎.空气动力是促进幂律流体射流破碎的有效措施.同时,对于一个小韦伯数,表面张力促进气体射流不稳定性;而随着韦伯数增大到临界值后,表面张力将会逐渐抑制其不稳定性.     

柴油在亚、超声速气流中横向喷射实验研究

改造普通油嘴,采用单次高压燃油喷射系统和阴影照相,首次研究了柴油射流柱在亚、超声速气流中横向非定常喷射问题。忽略破碎和雾化过程,用双流体模型和高精度格式,对该问题进行了初步的数值模拟。结果表明：沿射流柱表面传播的表面波是引起射流柱破碎的主要因素,破碎点位于表面波的波谷。高速气流中射流柱的雾化过程可分为射流柱区、大液块的首次破碎区、小液块的二次破碎区和液滴区。射流激波贴近射流柱迎风面,为三维凸形结构,在通道内反射,形成非定常的复杂波系结构。射流、来流动压比是影响柴油穿透深度的关键参数。计算得到的液相等密度线分布与实验结果在定性上一致。     

纵向受迫扰动下直喷雾化特性数值模拟

基于Gerris网格自适应技术和高精度流体体积(VOF)函数方法,建立了受迫扰动的直喷雾化数值模型,分析了不同扰动频率和扰动幅度下高速柴油直喷雾化破碎过程及其喷雾场结构特征,获得了全场液滴的空间粒径分布.在理论和试验数据验证数值计算模型的基础上对受迫扰动直喷雾化特性和喷雾场结构进行了数值分析.结果表明:射流的频率响应影响可分为3个状态,当St0.3或St0.6时,射流的频率响应较弱,但雾化索特平均直径(SMD)及其分布集中程度比0.3St0.6时更好.此外,射流来流扰动幅度也会显著影响雾化效果.随着扰动幅度的增加,液柱破碎长度会急剧减小并最终趋于恒定,同时,雾化SMD及其分布集中程度也会得到明显改善.     

动叶轮缘泄漏对非轴对称端壁端部损失及冷却的作用

应用数值方法研究了单级涡轮轮缘泄漏对动叶非轴对称端壁端部二次流损失及冷却效果的影响,得到了不同封严冷气质量流量比(MFR)下的叶栅内部流场特征,并与轴对称端壁模型进行对比。结果表明:轮缘泄漏吹扫使得非轴对称端壁对气流偏转的改善作用削弱;当冷气量从0.4%增大到1%时,相比于轴对称端壁模型,应用非轴对称端壁所产生的轴向涡量减小量从11.02%下降到了5.65%,非轴对称端壁的效果明显减弱;封严气流在动叶非轴对称端壁表面形成了三角形的气膜冷却区域,但绝热气膜有效度在流动的周向以及轴向方向上较轴对称端壁均有一定程度的减小,主要发生在叶片吸力面角区以及压力面侧马蹄涡的偏转路径上。     

旋流杯结构对火焰筒头部流场影响的试验研究

为深人研究旋流杯安装角、两级流量比、二级流通面积和套筒扩张角对火焰筒头部冷态流场的影响， 采用2D-3C粒子图像测速仪在常温常压下开展了相关试验研究。结果显示:适当增加叶片安装角可增大气 流的径向与切向速度分量，这一效果有助于提高油气掺混质量；内外两级流量比的增加将导致高速脉动区域 向内部移动，有利于燃油雾化，但回流区较窄、轴向速度较大，不利于稳定火焰和合理温度场的形成；随着二 级旋流面积的增大，回流区直径增大，射流速度降低，有利于稳定火焰;套筒扩张段在一定程度上对旋转射流 起引导作用，增大套筒扩张角将导致气流径向扩散能力加强。     

气体旋转运动对环膜液体射流不稳定性影响的研究

环膜液体射流的破碎机理研究对于GDI汽油机的雾化过程具有重要的意义。利用线性不稳定性理论研究了旋转气体运动对低阶和高阶模式黏性环膜液体射流破碎的影响。对于色散方程的数值计算结果表明，无论是对称模式还是非对称模式，低阶模式的扰动增长率通常较之高阶模式要大得多，但较之低阶模式扰动，高阶模式对气体旋转运动更为敏感。研究结果同时表明，对于非对称模式，无论是低阶模式还是高阶模式的扰动，气体旋转运动都是液体破碎的失稳因素；对于对称模式，气体旋转运动是低阶模式扰动的促稳因素，然而却是高阶模式扰动的强烈的失稳因素。     

生物乙醇喷雾蒸发和预混过程的数值模拟研究

基于生物乙醇燃料的贫燃预混、预蒸发燃烧技术(Lean Premixed Pervaporation,LPP),采用数值模拟方法,研究了预混室内生物乙醇雾化蒸发流场,分析了预热空气温度为500、600和1 000 K以及旋流数为0.47、0.8和1.41时的生物乙醇蒸发和气体混合特性的规律。研究表明:在LPP预混室旋流流场中,中心回流区宽度随预混室距离的增加先增大后减小,并且会受喷雾射流的影响拉伸变长,中心回流区随旋流强度的增大更贴近喷雾出口,角回流区的长度随旋流强度增大而缩短直至消失,旋流强度对液雾整体蒸发速率影响不大,但会影响液雾分布;进气温度增加会增大进气速度,提高液滴蒸发速率,缩短液雾炬长度;液滴蒸发过程存在一定程度上的压力振荡,会对LPP不稳定燃烧过程产生一定影响。     

Stability of an annular viscous liquid jet in compressible gases with different properties inside and outside of the jet

A spatial linear instability analysis is conducted on an annular viscous liquid jet injected into compressible gases and a three-dimensional model of the jet is developed. The model takes into account differences between the velocities, densities of the gases inside and outside of the liquid jet. Theoretical analysis reveals that there exist 9 dimensionless parameters controlling the instability of the liquid jet. Numerical computations reveal some basic characteristics in the breakup and atomization process of the liquid jet as well as influences of these relevant parameters. Major observations and findings of this study are as follows. The Mach number plays a destabilizing role and the inner Mach number has a greater effect on the jet instability than the outer Mach number. The Reynolds number always tends to promote the instabilities of the liquid jet, but its influence is very limited. The Weber number and the gas-to-liquid density ratio also have unstable effects and can improve the atomization of liquid jets. Furthermore, the effects of the Weber number and gas-to-liquid density ratio on the maximum growth rates of axisymmetric and non-axisymmetric disturbances and corresponding dominant wave numbers are manifested in a linear way, while that of the Mach number is non-linear. The effect of Reynolds on the maximum growth rates is non-linear, but the dominant wavenumber is almost not affected by the Reynolds number.     

射流参数对旋流雾化的影响

本文利用线性不稳定性理论,分析了无粘旋转液体射流射入无界气体介质中的破碎机理。通过改变各项射流参数,着重分析了液体旋流数对射流分裂雾化的影响,同时也探讨了与各种射流条件相对应的射流分裂雾化的主导模式。其研究结果可为旋流在工程实际中的应用,特别是在直喷式汽油机中的应用提供了一定的理论依据。     

Stability of an annular viscous liquid jet in compressible gases with different properties inside and outside of the jet

A spatial linear instability analysis is conducted on an annular viscous liquid jet injected into compressible gases and a three-dimensional model of the jet is developed. The model takes into account differences between the velocities, densities of the gases inside and outside of the liquid jet. Theoretical analysis reveals that there exist 9 dimensionless parameters controlling the instability of the liquid jet. Numerical computations reveal some basic characteristics in the breakup and atomization process of the liquid jet as well as influences of these relevant parameters. Major observations and findings of this study are as follows. The Mach number plays a destabilizing role and the inner Mach number has a greater effect on the jet instability than the outer Mach number. The Reynolds number always tends to promote the instabilities of the liquid jet, but its influence is very limited. The Weber number and the gas-to-liquid density ratio also have unstable effects and can improve the atomization of liquid jets. Furthermore, the effects of the Weber number and gas-to-liquid density ratio on the maximum growth rates of axisymmetric and non-axisymmetric disturbances and corresponding dominant wave numbers are manifested in a linear way, while that of the Mach number is non-linear. The effect of Reynolds on the maximum growth rates is non-linear, but the dominant wavenumber is almost not affected by the Reynolds number.     

燃油喷射2次雾化模型

本主要研究燃油喷入气体中的雾化过程。在假设雾化是由于气液之间气动相互作用导致液体射流表面不稳定波增长并最终导致细小液滴形成的基础上，把燃油雾化过程分为两个阶段：１次雾化和２次雾化。前只发生在气液交界面上，主要由不稳定波增长和破碎所引起；后则发生在气液渗混区，受１次雾化后形成的液滴在气体中进一步破碎和聚合控制。章最后分析了某些参数对雾化的影响，并把计算得到的喷雾贯穿距离和ＳＭＤ同实验进行了比     

Visualization of flow and heat transfer characteristics for swirling impinging jet

Flow and heat transfer characteristics of swirling impinging jet (SIJ) were studied experimentally at constant nozzle-to-plate distance of L = 4D. The swirling jet is generated by inserting twisted tapes within a pipe nozzle. Effects of swirl on the impinged surface are investigated at twist ratios (y/W) of ∞ (straight tape), 3.64, 2.27, 1.82, and 1.52. The flow patterns of the free swirling jet and the swirling impinging jet were visualized by mixing dye with the jet flow. Distributions of temperature and convective heat transfer coefficient on the impinged surface were measured with thermochromic liquid crystal (TLC) sheet and image processing technique. Additionally, an oil film technique was performed as a complementary technique for flow visualization on the impinged surface. The experimental results reveal that there appear to be two peaks of heat transfer in the jet impingement region. The heat transfer enhancements in jet impingement region can be achieved at a low twist ratio of 3.64 which corresponds to the swirl number of 0.4.     

柴油机多阶雾化模型及动态喷雾模拟

本文在作者推导的有粘液柱３维不稳定弥散关系式的基础上，对柴油机喷注的雾化机理进行了分析，建立了燃油雾化的多阶不稳定模型，根据不稳定流的最大波幅增长点提出了初始雾化参数（如滴径及滴径分布，喷雾锥角）的具体算法，并考虑了液滴的２次雾化问题。以半波正弦喷油规律为例的动态喷雾模拟表明，本文的计算对蒸发量有明显的改进，从而有助于解决原ＫＩＶＡ计算中蒸发量不足的问题，更重要的是，初始雾化模型的建立把多维模型中缸内工作过程与缸外供油过程密切联系起来，有利于分析喷油系统对喷雾混合过程的影响。