射流界面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)轉(zhuǎn)捩的機(jī)理研究.pdf

1、射流是一種極為常見的流動(dòng)形態(tài)，并被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。在一些特殊生產(chǎn)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(gè)極為復(fù)雜的流動(dòng)過程，同樣也是流體相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)廣受關(guān)注的重要基礎(chǔ)內(nèi)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(dòng)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)機(jī)理尚沒有明確的認(rèn)識。本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“介觀超高壓射流的界面流動(dòng)及失穩(wěn)機(jī)理研究”(NO.51176065)的資助下，運(yùn)

2、用數(shù)值模擬和可視化實(shí)驗(yàn)手段對高速液體射流氣液界面初始失穩(wěn)及破碎相關(guān)結(jié)構(gòu)隨時(shí)空演變規(guī)律及相關(guān)機(jī)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(jié)構(gòu)的時(shí)空演變過程進(jìn)行了數(shù)值演示。細(xì)致刻畫了表面波、“液帶”等初始擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、變形和破碎過程。依據(jù)模擬獲得的射流二維及三維結(jié)構(gòu)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(gè)階段，并初步

3、獲得了三個(gè)階段的流向范圍。結(jié)合渦量分析對射流表面結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了討論，指出由氣液界面速度分布不均勻所導(dǎo)致的界面壓力脈動(dòng)是誘發(fā)射流表面失穩(wěn)并促使失穩(wěn)結(jié)構(gòu)發(fā)展演變的重要因素之一。
　　自主設(shè)計(jì)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(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化捕捉，并基于譜方法編寫批處理程序?qū)ι淞鲌D像進(jìn)行處理和測量。實(shí)驗(yàn)首次清晰捕捉到射流表面初始周期性擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測得了射流表面初始失穩(wěn)位置、擾動(dòng)結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與噴嘴結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。
　　將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于時(shí)空線性穩(wěn)定分析所得的理論結(jié)果進(jìn)行了對比，并就理論分析不能準(zhǔn)確預(yù)測射流表面失穩(wěn)位置提出了修正。指出在以基于動(dòng)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(biāo)系中，不同破碎機(jī)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(nèi)流道三個(gè)主要特征結(jié)構(gòu)參數(shù):漸縮角，

5、長徑比和收縮比為基礎(chǔ)，自主設(shè)計(jì)了8種不同結(jié)構(gòu)噴嘴，就噴嘴結(jié)構(gòu)對射流表面初始失穩(wěn)位置及擾動(dòng)結(jié)構(gòu)波長的影響機(jī)制展開研究。建立了噴嘴各特征參數(shù)與射流表面轉(zhuǎn)捩的對應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴幾何結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
　　基于高速顯微及連續(xù)成像技術(shù)對射流表面破碎過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)捕捉，并結(jié)合圖像后處理技術(shù)對過程中的射流表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量測量和分析。歸納總結(jié)了射流表面破碎特征結(jié)構(gòu)