射流界面結構失穩(wěn)轉捩的機理研究.pdf

1、射流是一種極為常見的流動形態(tài)，并被廣泛應用于各種工程領域。在一些特殊生產加工中，如采礦、切割、清洗等，射流有著不可替代的重要優(yōu)勢。射流自噴嘴流出至失穩(wěn)破碎是一個極為復雜的流動過程，同樣也是流體相關研究領域內廣受關注的重要基礎內容之一。目前對液體射流的發(fā)展演變規(guī)律，特別是初始失穩(wěn)破碎階段，小尺度界面擾動結構的流動機理尚沒有明確的認識。本文在國家自然科學基金項目“介觀超高壓射流的界面流動及失穩(wěn)機理研究”(NO.51176065)的資助下，運

2、用數(shù)值模擬和可視化實驗手段對高速液體射流氣液界面初始失穩(wěn)及破碎相關結構隨時空演變規(guī)律及相關機理展開研究。論文主要工作及創(chuàng)新性研究成果如下:
　　基于邊界追蹤的數(shù)值方法、多相流及湍流模型對連續(xù)射流自由表面結構的時空演變過程進行了數(shù)值演示。細致刻畫了表面波、“液帶”等初始擾動結構的產生、變形和破碎過程。依據(jù)模擬獲得的射流二維及三維結構特征，提出將射流自噴嘴流出至發(fā)生初始破碎過程劃分為界面穩(wěn)定、界面失穩(wěn)發(fā)展和界面分離破碎三個階段，并初步

3、獲得了三個階段的流向范圍。結合渦量分析對射流表面結構演變進行了討論，指出由氣液界面速度分布不均勻所導致的界面壓力脈動是誘發(fā)射流表面失穩(wěn)并促使失穩(wěn)結構發(fā)展演變的重要因素之一。
　　自主設計搭建了一套高速顯微攝影系統(tǒng)對小尺度、高速液體射流表面初始擾動結構進行可視化捕捉，并基于譜方法編寫批處理程序對射流圖像進行處理和測量。實驗首次清晰捕捉到射流表面初始周期性擾動結構，準確測得了射流表面初始失穩(wěn)位置、擾動結構波長、波長沿流向增長率等定量信

4、息。建立了射流表面擾動結構特征參數(shù)與噴嘴結構特征參數(shù)之間的函數(shù)關系。
　　將實驗結果與基于時空線性穩(wěn)定分析所得的理論結果進行了對比，并就理論分析不能準確預測射流表面失穩(wěn)位置提出了修正。指出在以基于動量邊界層厚度的無量綱波長為縱軸，流向距離和射流速度的乘積為橫軸的坐標系中，不同破碎機制下的波長變化規(guī)律趨向一致。并由此獲得了可用于判別射流表面穩(wěn)定性的無量綱參數(shù)。
　　從軸對稱型噴嘴出發(fā)，以噴嘴內流道三個主要特征結構參數(shù):漸縮角，

5、長徑比和收縮比為基礎，自主設計了8種不同結構噴嘴，就噴嘴結構對射流表面初始失穩(wěn)位置及擾動結構波長的影響機制展開研究。建立了噴嘴各特征參數(shù)與射流表面轉捩的對應關系。研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴幾何結構主要通過改變出口附近射流邊界層厚度、形態(tài)來間接對射流表面失穩(wěn)位置及初始擾動結構產生影響。
　　基于高速顯微及連續(xù)成像技術對射流表面破碎過程進行了動態(tài)捕捉，并結合圖像后處理技術對過程中的射流表面結構參數(shù)進行定量測量和分析。歸納總結了射流表面破碎特征結構