超声速条件下亚毫米液滴的变形破碎模态
发布时间：2022-01-21 15:06
以超声速气流中液滴变形破碎行为为研究内容,对水平激波管中承受激波冲击的亚毫米水液滴（0.44～1.09 mm）变形破碎过程进行了观测,实验激波马赫数范围为1.07～2.11。利用纹影法,结合高分辨率高速相机对不同破碎模态下液滴的变形破碎特征进行了记录,得到了袋状、多模态、剪切和爆炸式等破碎模式下的液滴纹影图像,分析了液滴运动参数的时空关系。得出了液滴变形阶段,液滴无量纲横向变形宽度以及液滴无量纲迎风面位移随无量纲时间的变化发展规律,并且得出在液滴初始直径相同时,不同液滴破碎模式的无量纲最大横向变形宽度的变化,其中袋状、多模态、剪切破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在1.15～1.61范围内变化,爆炸式破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在0.21～0.68范围内变化。
【文章来源】：航空动力学报. 2020,35(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
爆炸式破碎无量纲迎风面位移随无量纲时间
在爆炸式破碎中,液滴在气动力作用下快速完成变形过程,从如图14所示的爆炸式破碎无量纲横向变形宽度随无量纲时间变化示意图可以看出,除C2工况外,其余工况在τ=0.5内完成了液滴的初期变形过程,基体部分横向宽度不再增长,之后是在KH不稳定性作用机理下的赤道两侧液滴剥离破碎过程。所有工况变形过程无量纲横向宽度的变化基本符合线性,表明液滴在超声速气流条件下的变形破碎过程中,尽管其破碎机理不同导致了不同的破碎模态,但液滴在变形过程(未发生破碎前)的运动趋势近似一致,并未表现出较大差异。4 结 论
图5 液滴剪切破碎特征示意图随着We的进一步增加,液滴破碎模态转化为最终的爆炸式破碎。以C1工况为例,变形破碎过程如图6所示。气流方向,从右到左,初始时刻t=0 μs,液滴未受到激波的作用,在液滴自身表面张力的作用下呈球状;0～32 μs期间,球形液滴激波的作用下出现了明显的变形,液滴在沿气流运动方向尺度变小,在垂直激波运动方向上拉伸,整体变形趋势呈现出扁平化;从激波与液滴作用时间t=32 μs开始,液滴的背风面发展演变出明显的环状凸起,而液滴此时的迎风面仍呈光滑的球形液面;从约t=48 μs开始,液滴赤道附近衍变出Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性(KH不稳定性是发生在存在较高切向相对速度差的流体界面处,这种切向的相对速度差造成界面的扰动)区域,该区域的液体在气流的剪切夹带作用下不断向下游剥离;从64 μs开始,背风面的环状凸起直径已发展到和液滴基体部分相当,凸起的顶端和外部气流的作用下不断有小液滴从液滴基体背风面剥离脱落,整个剥离过程持续到液滴主体部分的破碎结束。从t=80 μs开始,液滴破碎的程度明显加快,液滴赤道两侧的KH不稳定区域在气流的剪切夹带作用下不断向下游区域剥离出小液滴,可观察到此过程一直发展到约t=112 μs,此后液滴基体部分分解,大量的液雾形成对观察视场内液滴的破碎行为起遮蔽的影响。在液滴破碎的末期如图7所示,液滴的迎风面早已不再光滑,出现一系列的尖钉结构,这是Rayleigh-Taylor(RT)不稳定作用的结构,表明爆炸式破碎是剪切诱导夹带机制为主的,但RT波对液滴迎风面的作用一直存在,只是未能穿透过迎风面,这也与Theofanous等[9-13]得到的结论相同。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速氩气流中水滴和电子氟化液滴变形破碎的实验研究[J]. 熊红平,刘金宏,施红辉,章利特. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2017(03)
[2]连续均匀热气流中液核/袋状破碎特性实验[J]. 金仁瀚,刘勇,王锁芳. 航空动力学报. 2017(02)
[3]单液滴羽状/液膜稀释破碎特性研究[J]. 金仁瀚,刘勇,王锁芳. 推进技术. 2017(04)
[4]高超声速飞行器动力系统研究进展[J]. 王振国,梁剑寒,丁猛,范晓樯,吴继平,林志勇. 力学进展. 2009(06)
[5]飞行器涂层侵蚀机理分析[J]. 孙岳,黄海明. 科学技术与工程. 2007(23)
[6]激波诱导液滴变形和破碎现象实验研究[J]. 耿继辉,叶经方,王健,李鸿志. 工程热物理学报. 2003(05)
本文编号：3600494
【文章来源】：航空动力学报. 2020,35(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
爆炸式破碎无量纲迎风面位移随无量纲时间
在爆炸式破碎中,液滴在气动力作用下快速完成变形过程,从如图14所示的爆炸式破碎无量纲横向变形宽度随无量纲时间变化示意图可以看出,除C2工况外,其余工况在τ=0.5内完成了液滴的初期变形过程,基体部分横向宽度不再增长,之后是在KH不稳定性作用机理下的赤道两侧液滴剥离破碎过程。所有工况变形过程无量纲横向宽度的变化基本符合线性,表明液滴在超声速气流条件下的变形破碎过程中,尽管其破碎机理不同导致了不同的破碎模态,但液滴在变形过程(未发生破碎前)的运动趋势近似一致,并未表现出较大差异。4 结 论
图5 液滴剪切破碎特征示意图随着We的进一步增加,液滴破碎模态转化为最终的爆炸式破碎。以C1工况为例,变形破碎过程如图6所示。气流方向,从右到左,初始时刻t=0 μs,液滴未受到激波的作用,在液滴自身表面张力的作用下呈球状;0～32 μs期间,球形液滴激波的作用下出现了明显的变形,液滴在沿气流运动方向尺度变小,在垂直激波运动方向上拉伸,整体变形趋势呈现出扁平化;从激波与液滴作用时间t=32 μs开始,液滴的背风面发展演变出明显的环状凸起,而液滴此时的迎风面仍呈光滑的球形液面;从约t=48 μs开始,液滴赤道附近衍变出Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性(KH不稳定性是发生在存在较高切向相对速度差的流体界面处,这种切向的相对速度差造成界面的扰动)区域,该区域的液体在气流的剪切夹带作用下不断向下游剥离;从64 μs开始,背风面的环状凸起直径已发展到和液滴基体部分相当,凸起的顶端和外部气流的作用下不断有小液滴从液滴基体背风面剥离脱落,整个剥离过程持续到液滴主体部分的破碎结束。从t=80 μs开始,液滴破碎的程度明显加快,液滴赤道两侧的KH不稳定区域在气流的剪切夹带作用下不断向下游区域剥离出小液滴,可观察到此过程一直发展到约t=112 μs,此后液滴基体部分分解,大量的液雾形成对观察视场内液滴的破碎行为起遮蔽的影响。在液滴破碎的末期如图7所示,液滴的迎风面早已不再光滑,出现一系列的尖钉结构,这是Rayleigh-Taylor(RT)不稳定作用的结构,表明爆炸式破碎是剪切诱导夹带机制为主的,但RT波对液滴迎风面的作用一直存在,只是未能穿透过迎风面,这也与Theofanous等[9-13]得到的结论相同。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速氩气流中水滴和电子氟化液滴变形破碎的实验研究[J]. 熊红平,刘金宏,施红辉,章利特. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2017(03)
[2]连续均匀热气流中液核/袋状破碎特性实验[J]. 金仁瀚,刘勇,王锁芳. 航空动力学报. 2017(02)
[3]单液滴羽状/液膜稀释破碎特性研究[J]. 金仁瀚,刘勇,王锁芳. 推进技术. 2017(04)
[4]高超声速飞行器动力系统研究进展[J]. 王振国,梁剑寒,丁猛,范晓樯,吴继平,林志勇. 力学进展. 2009(06)
[5]飞行器涂层侵蚀机理分析[J]. 孙岳,黄海明. 科学技术与工程. 2007(23)
[6]激波诱导液滴变形和破碎现象实验研究[J]. 耿继辉,叶经方,王健,李鸿志. 工程热物理学报. 2003(05)
本文编号：3600494
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3600494.html
