超声速条件下液滴动力学特性研究

摘要

液滴突然暴露在超声速气流环境中会发生变形和破碎，是经典的多相流体力学问题，包含了可压缩气体动力学、界面稳定性、界面动力学演化等多个领域的研究。同时此类现象在日常生活和工程应用中也广泛存在。　　本文以超声速条件下液滴变形破碎行为和机理为基础，在水平激波管中实验研究了激波冲击下亚毫米水液滴(0.44～1.09mm)的变形破碎过程，激波马赫数范围1.07～2.11Ma，通过高分辨率高速相机结合纹影法对不同破碎模态下液滴的变形破碎特征进行拍摄记录，得到了袋状破碎、多模态破碎、剪切破碎和爆炸式破碎模式下的液滴纹影图像，对液滴的运动参数在时空关系上进行分析。　　通过对实验结果和运动参数无量纲化分析，本文得出如下结论:(1)在液滴变形阶段，无量纲横向变形宽度随无量纲时间基本呈现线性变化;(2)在相同气动条件时，液滴无量纲横向最大变形宽度随直径的增加而减小;(3)在液滴初始直径相同时，爆炸式破碎中液滴的无量纲横向最大变形宽度相比于其它破碎模态显著减小，袋状破碎、多模态破碎、剪切破碎的无量纲横向最大变形宽度为1.15-1.61，爆炸式破碎的无量纲横向最大变形宽度为0.21-0.68。同时通过对液滴变形完成时间的测量，发现不同破碎模态下液滴完成扁平化的时间并不相同，袋状破碎、多模态破碎、剪切破碎的液滴变形完成时间更加接近，而爆炸式破碎的远远小于三者。(4)液滴无量纲迎风面位移随无量纲时间变化的曲线呈抛物线状，表明加速度的大小是常数:(5)在相同气动力作用下，液滴初始直径在液滴沿气流方向运动速度中的决定性作用，液滴沿气流方向的运动速度随着液滴初始直径的增大而减小;(6)液滴初始直径对液滴迎风面加速度的影响大于We数;(7)在液滴初始直径相似的前提条件下，液滴的加速度随We数增加而增加，从袋状破碎到多模态破碎再到剪切破碎最后到爆炸式破碎，液滴的加速度依次增加，其中爆炸式破碎的液滴加速度相比于前三者破碎模态显著提升。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究的背景及意义

1．2国内外研究现状

1．3本文工作

第二章实验装置及方法

2．1实验装置

2．2流场诊断测试方法

2．3实验方法及步骤

2．4激波管的理论分析

2．4．1激波管内流动分析

2．4．2激波管内流动参数的测量

2．5其它实验参数和无量纲化处理

2．6本章小结

第三章低韦伯数条件下液滴的变形破碎特征

3．1袋状破碎的实验研究

3．1．1袋状破碎的机理

3．1．2袋状破碎的现象描述

3．1．3袋状破碎的运动参数分析

3．2多模态破碎的实验研究

3．2．1多模态破碎的机理

3．2．2多模态破碎的现象描述

3．2．3多模态破碎的运动参数分析

3．3本章小结

第四章高韦伯数条件下液滴的变形破碎特征

4．1剪切破碎的实验研究

4．1．1剪切破碎的机理

4．1．2剪切破碎的现象描述

4．1．3剪切破碎的运动参数分析

4．2爆炸式破碎的实验研究

4．2．1爆炸式破碎的机理

4．2．2爆炸式破碎的现象描述

4．2．3爆炸式破碎的运动参数分析

4．3本章小结

第五章不同初始条件对液滴变形破碎的影响

5．1对迎风面位移和迎风面加速度的影响

5．2对最大横向变形宽度及变形完成时间的影响

5．3对变形破碎行为的影响

5．4本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2未来工作展望

致谢

攻读学位期间的研究成果

参考文献