激波冲击下液滴变形破碎过程的实验和数值研究

发布时间：2019-03-09 20:39

【摘要】：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。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O354.5

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本文编号：2437824