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《天津大学》 2017年
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幂律流体圆柱射流破碎机理的研究

白富强  
【摘要】:液体射流是自然界和工程应用中普遍存在的现象,研究者们对于牛顿流体的射流破碎过程已经有了较深入的了解,建立了较为完善的理论,但对更具复杂性和多样性幂律流体,研究涉及较少,还没有成熟的理论支持。本文针对幂律流体射流的破碎过程开展理论和实验研究,分析其破碎特性,进一步揭示非牛顿流体的破碎机理,研究内容具备一定的普适性,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文基于线性不稳定性理论,建立了幂律流体三维圆柱射流的数学物理模型,进而推导得到了表征幂律流体三维圆柱射流不稳定性的特征方程——色散方程。在时间模式下,对色散方程进行了数值求解,获得了不同射流参数条件下的不稳定性曲线,分析研究了幂律流体三维圆柱射流的各种无量纲参数和实际参数对其表面波不稳定性的影响规律。理论研究结果表明,当幂律流体液体圆柱射流处于不同阶数下,射流的不稳定性不同,各射流参数对射流不稳定性的影响规律也不同。射流表面波不稳定性受表面张力、粘性力与气液相互作用力的综合影响。总体来说,气液相互作用力是促进射流破碎的因素,液体表面张力、粘性力和流体的幂律特性都是抑制射流破碎的因素。在不同的阶数下,各参数对射流不稳定性影响的程度不同,呈现出的影响规律也不同。当其他条件保持不变时,随着射流速度的增大,会依次出现高阶不稳定性。在此基础上,设计并搭建了完整的光学实验系统,系统能够实现高压环境下的阴影法高速摄像系统和相位多普勒粒子动态分析系统对幂律流体射流破碎过程的拍摄与测试,包括:形貌特征、粒度场和速度场。实验研究获得了一系列低射流速度下的幂律流体圆柱射流近喷孔区域的表面波图像,展示出了幂律流体圆柱射流的多阶模式,也获得到了高压和高温条件下幂律流体圆柱射流破碎后形成的稳态形貌图像,经过对图像的后处理和分析,定义并提取了表征幂律流体圆柱射流破碎特征的参数:破碎长度和喷雾锥角,研究了不同射流参数对于幂律流体圆柱射流破碎特征的影响规律。测试得到了高压环境下幂律流体圆柱射流远区的速度场和粒度场,获得了雾场中具有代表性位置上的三维速度和液滴索特平均直径信息,研究了速度场和粒度场的分布特点,以及不同射流参数对雾场速度和粒度分布的影响规律。实验研究结果表明,随着喷射速度的加大,幂律流体圆柱射流有明显的多阶模式形貌特征。提高喷射压力、射流出口速度、环境气体压力、环境气体密度、温度等都会增加幂律流体圆柱射流的不稳定性,有助于促进射流破碎,使得射流破碎长度减小、喷雾锥角增大,液滴索特平均直径变小,稠度系数和幂律指数起抑制作用,尤其是稠度系数。液滴索特平均直径沿射流中心轴线向下呈明显减小趋势,沿径向对称于射流中心轴线分布,在径向方向上液滴索特平均直径保持在较小的范围之内,靠近中心轴线的位置直径较小,不同射流参数对粒度轴向和径向的整体分布形态影响不大。幂律流体圆柱射流的近喷孔区域表面波特征、破碎特征、速度场和粒度场的分布特征以及射流参数对其影响规律的实验研究结果与幂律流体三维圆柱射流不稳定性理论分析结果均能相互吻合,两者相互得到了验证和解释。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O358

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