以超聲速氣流中液滴變形破碎行為為研究內(nèi)容,對水平激波管中承受激波沖擊的亞毫米水液滴（0.44～1.09 mm）變形破碎過程進行了觀測,實驗激波馬赫數(shù)范圍為1.07～2.11。利用紋影法,結(jié)合高分辨率高速相機對不同破碎模態(tài)下液滴的變形破碎特征進行了記錄,得到了袋狀、多模態(tài)、剪切和爆炸式等破碎模式下的液滴紋影圖像,分析了液滴運動參數(shù)的時空關(guān)系。得出了液滴變形階段,液滴無量綱橫向變形寬度以及液滴無量綱迎風(fēng)面位移隨無量綱時間的變化發(fā)展規(guī)律,并且得出在液滴初始直徑相同時,不同液滴破碎模式的無量綱最大橫向變形寬度的變化,其中袋狀、多模態(tài)、剪切破碎模式的無量綱橫向最大變形寬度均在1.15～1.61范圍內(nèi)變化,爆炸式破碎模式的無量綱橫向最大變形寬度均在0.21～0.68范圍內(nèi)變化。 

【文章來源】：航空動力學(xué)報. 2020,35(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

爆炸式破碎無量綱迎風(fēng)面位移隨無量綱時間

在爆炸式破碎中,液滴在氣動力作用下快速完成變形過程,從如圖14所示的爆炸式破碎無量綱橫向變形寬度隨無量綱時間變化示意圖可以看出,除C2工況外,其余工況在τ=0.5內(nèi)完成了液滴的初期變形過程,基體部分橫向?qū)挾炔辉僭鲩L,之后是在KH不穩(wěn)定性作用機理下的赤道兩側(cè)液滴剝離破碎過程。所有工況變形過程無量綱橫向?qū)挾鹊淖兓痉暇�性,表明液滴在超聲速氣流條件下的變形破碎過程中,盡管其破碎機理不同導(dǎo)致了不同的破碎模態(tài),但液滴在變形過程(未發(fā)生破碎前)的運動趨勢近似一致,并未表現(xiàn)出較大差異。4 結(jié) 論

圖5 液滴剪切破碎特征示意圖隨著We的進一步增加,液滴破碎模態(tài)轉(zhuǎn)化為最終的爆炸式破碎。以C1工況為例,變形破碎過程如圖6所示。氣流方向,從右到左,初始時刻t=0 μs,液滴未受到激波的作用,在液滴自身表面張力的作用下呈球狀;0～32 μs期間,球形液滴激波的作用下出現(xiàn)了明顯的變形,液滴在沿氣流運動方向尺度變小,在垂直激波運動方向上拉伸,整體變形趨勢呈現(xiàn)出扁平化;從激波與液滴作用時間t=32 μs開始,液滴的背風(fēng)面發(fā)展演變出明顯的環(huán)狀凸起,而液滴此時的迎風(fēng)面仍呈光滑的球形液面;從約t=48 μs開始,液滴赤道附近衍變出Kelvin-Helmholtz(KH)不穩(wěn)定性(KH不穩(wěn)定性是發(fā)生在存在較高切向相對速度差的流體界面處,這種切向的相對速度差造成界面的擾動)區(qū)域,該區(qū)域的液體在氣流的剪切夾帶作用下不斷向下游剝離;從64 μs開始,背風(fēng)面的環(huán)狀凸起直徑已發(fā)展到和液滴基體部分相當(dāng),凸起的頂端和外部氣流的作用下不斷有小液滴從液滴基體背風(fēng)面剝離脫落,整個剝離過程持續(xù)到液滴主體部分的破碎結(jié)束。從t=80 μs開始,液滴破碎的程度明顯加快,液滴赤道兩側(cè)的KH不穩(wěn)定區(qū)域在氣流的剪切夾帶作用下不斷向下游區(qū)域剝離出小液滴,可觀察到此過程一直發(fā)展到約t=112 μs,此后液滴基體部分分解,大量的液霧形成對觀察視場內(nèi)液滴的破碎行為起遮蔽的影響。在液滴破碎的末期如圖7所示,液滴的迎風(fēng)面早已不再光滑,出現(xiàn)一系列的尖釘結(jié)構(gòu),這是Rayleigh-Taylor(RT)不穩(wěn)定作用的結(jié)構(gòu),表明爆炸式破碎是剪切誘導(dǎo)夾帶機制為主的,但RT波對液滴迎風(fēng)面的作用一直存在,只是未能穿透過迎風(fēng)面,這也與Theofanous等[9-13]得到的結(jié)論相同。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3600494