論文采用實驗與數值模擬相結合的方法研究了非均勻橫向氣流場中的液體射流的噴注特性和破碎過程。在實驗方面,設計搭建了實驗平臺,能夠實現剪切載荷模式橫向氣流及旋轉模式橫向氣流中液體射流破碎現象的觀測。采用高速攝影儀記錄上述兩種非均勻橫向氣流場中液體射流破碎過程,并利用二值法對圖像進行了處理。在數值模擬方面,采用標準k-ε湍流模型研究無液體射流時的剪切載荷模式氣流流場,對其進行分析并以此作為后續(xù)研究的對比基準;采用VOF耦合Level Set方法計算液體射流在非均勻橫向氣流,包括剪切模式橫向氣流和旋轉模式橫向氣流中的破碎過程。對剪切載荷模式的橫向氣流進行數值模擬研究,發(fā)現當隔板上下進口氣流速度比(UR)不為1時,氣流場會在出口下游區(qū)出現準線性的速度分布梯度,形成剪切層并在尾流區(qū)生成渦旋。隨著UR絕對值增大或減小,即隔板上下進口氣流間的速度差異增大,剪切層的梯度增大,同時尾流區(qū)的氣流渦旋尺寸也隨之增大并往上游發(fā)展,氣流場流線分布紊亂程度加劇。而氣流平均韋伯數We_(avg,g)對氣流場分布無明顯影響。對有液體射流進入剪切載荷模式橫向氣流場的實驗研究發(fā)現液體射流在射流實驗段高度的中間位置處出現了明顯的二次彎折,液柱表面也經歷了從光滑至出現一階非線性對稱波,螺旋狀波動,到最后斷裂的過程。結合數值模擬在相應工況下的結果,發(fā)現在實驗段高度中間位置氣流場中的剪切作用強度較大,氣動力以較強的剪切力形式作用在液體射流表面;同時在液柱破碎斷裂處的截面上存在非對稱氣流渦旋導致的螺旋狀表面波,該表面波最終促成了液袋的形成。在對射流的噴注特性研究發(fā)現,在所有實驗工況中,液體射流穿透深度隨著液氣動量比q增加而增加,同時也與隔板上下進口氣流速度比UR存在正向關系,而與氣流平均韋伯We_(avg,g)無明顯直接關系。對旋轉橫向氣流場中的液體射流破碎過程分別采用實驗研究和數值模擬研究的方法進行了初步的探究。擬合了液體射流的運動軌跡,發(fā)現在弱旋流(旋流數小于0.6)的情況下,液體射流軌跡與均勻橫向氣流場中的無明顯差異甚至促進射流的穿透深度,而在強旋流情況下(旋流數大于0.6)的情況下,液體射流穿透深度會被抑制。結合數值模擬結果發(fā)現,在強旋流情況下,旋流區(qū)尺寸會覆蓋液體射流區(qū),導致液體射流的部分動能轉化為氣流的湍動能從而穿透能力減弱,而在弱旋流中,其旋流區(qū)尺寸并未足夠大,其旋流區(qū)邊緣的氣動力主要以徑向作用為主,因而對液柱在穿透深度上有一定的促進作用。同時在數值模擬中可以發(fā)現在旋流器出口處會形成負壓區(qū),這可以解釋實驗中觀察到的液柱軌跡往上游方向擺動的現象。本文的研究結果可推論出,當上下進口氣流速度比UR大于1時,射流穿透深度較大,液體射流發(fā)生破碎所需時間較長,而當UR小于1時,穿透深度較低,較早發(fā)生破碎,在同樣時間內液體射流破碎霧化效果會更好。另外,旋轉模式橫向氣流中液體射流破碎霧化的效果需要同時考慮旋流器強度以及噴嘴所處位置這兩個因素,這將為LDWI型燃燒室的設計研發(fā)工作提供一定的指導意義。
【學位單位】：中國民航大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O358
【文章目錄】：
摘要
Abstract
參量符號與角標注釋
第一章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 航空燃氣輪機減排背景
        1.1.2 航空燃氣輪機環(huán)保技術
    1.2 國內外研究現狀
        1.2.1 液體射流在無橫向氣流中破碎霧化現象研究
        1.2.2 液體射流在均勻橫向氣流中破碎霧化現象研究
        1.2.3 液體射流在非均勻橫向氣流中破碎霧化現象研究
    1.3 論文主要研究內容
第二章 實驗研究和數值模擬方法介紹
    2.1 橫向射流整體實驗平臺介紹
    2.2 實驗平臺各子模塊簡介
        2.2.1 供氣模塊
        2.2.2 供液模塊
        2.2.3 光學觀測模塊
        2.2.4 實驗所用噴嘴
        2.2.5 射流實驗段
    2.3 數值模擬方法
        2.3.1 常用低速氣流中兩相流數值模擬方法介紹
        2.3.2 COUPLEDLEVEL-SETVOF方法原理
    2.4 實驗方案與數值模擬邊界條件及工況設置
        2.4.1 實驗方案
        2.4.2 實驗誤差分析
        2.4.3 數值模擬邊界條件和工況設置
        2.4.4 網格無關性驗證
第三章 剪切載荷模式橫向氣流場中液體射流破碎特性研究
    3.1 無液體射流的剪切載荷橫向氣流場特性研究
        3.1.1 基準組模擬結果
        3.1.2 相等平均流量組模擬結果
        3.1.3 相等上下氣流速度比值（UR）組模擬結果
        3.1.4 下方進口氣流速度固定,上方進口氣流速度變化對照組模擬結果
    3.2 剪切載荷模式氣流中射流破碎過程研究
        3.2.1 剪切載荷模式氣流中射流破碎實驗研究
        3.2.2 剪切載荷模式氣流中射流破碎過程的數值模擬研究
    3.3 本章小結
第四章 旋轉橫向氣流中的液體射流現象研究
    4.1 旋轉模式氣流中液體射流軌跡研究
        4.1.1 弱旋流器產生橫向氣流中影響射流穿透深度相關因素研究
        4.1.2 強旋流器產生的旋轉模式氣流中液體射流軌跡研究
    4.2 本章小結
第五章 總結與展望
    5.1 研究成果總結
    5.2 工作展望
致謝
參考文獻

【參考文獻】

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本文編號：2861638