低速流体撞击射流破碎的实验研究

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射流破碎机理的研究既是一个传统的流体力学问题,又是一个很有理论研究价值和工程应用背景的课题。在众多射流破碎方式中,撞击射流液膜破碎是射流雾化的经典方法,因为其结构简单、成本低、雾化效果好等优点,被广泛应用到航空航天领域。  本文通过实验的方法,对速度不超过5.2m/s条件下,射流撞击液膜破碎规律进行研究。设计并搭建了可视化射流撞击实验系统,采用高速摄像技术,获得了三种流体(水、甘油溶液、幂律型非牛顿流体卡波姆凝胶)对称和非对称撞击射流液膜破碎形貌的光学图像,定义并提取了液膜破碎模式及破碎长度、液膜长度、液膜宽度、液膜长宽比等破碎特征参数,分析研究了不同因素(如射流撞击夹角、喷嘴内径、黏度、预撞击距离等)对射流撞击液膜破碎发展的影响规律。  实验结果表明,对称撞击时,射流撞击液膜共出现封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式三种破碎模式;非对称撞击时,甘油溶液及卡波姆凝胶的撞击射流液膜出现了特殊的开边界模式:“鱼骨”破碎模式,且射流撞击夹角在78°时,最容易出现鱼骨破碎模式。从液滴粒径分布规律及破碎图像来看,预撞击距离对卡波姆凝胶影响比甘油溶液大很多,各因素对水撞击射流的破碎模式影响最小。对称撞击时,所有流体的液膜长度和宽度都随速度的增大而增大,液膜长宽比则趋于稳定值。液膜长宽比只受射流撞击夹角和黏度的影响,射流撞击夹角越大,长宽比越小;黏度越大,长宽比越大。无论对称还是非对称,破碎长度随韦伯数的变化趋势,都与相应破碎模式下的特征相一致。黏度比喷嘴内径对破碎长度的影响大,喷嘴内径越小破碎长度尺度越小。通过对各流体破碎模式在不同雷诺数及韦伯数下的对比分析,非对称撞击使液膜的破碎模式变化更加复杂,各破碎模式不再像对称撞击时有序出现。通过稳定性分析得到了对称撞击液膜破碎长度的预测公式,可用于破碎长度的估算。用Rayleigh不稳定性对“鱼骨”结构的出现进行了研究,出现最大鱼骨角时,液膜两侧相邻液滴之间的距离约为最小液膜边界厚度的0.5倍。
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