文摘

流动可视化实验研究水的流动机制和破裂长度表生成的两个液体撞击飞机从一个喷雾器由两个相同的管子直径0.686毫米。这些实验包括液体射流雷诺数基于管道直径在1541到5394的范围。射流速度的影响和冲击角之间分手的两架飞机的性能进行了研究。四喷雾模式是公认的,presheet形成光滑的板,折边板,open-rim表制度。水单分手长度是发现与先前的实验和理论结果一致的韦伯数(基于水射流直径和速度)的范围内。在相对较高的韦伯数范围,分手长度趋于恒定值随着韦伯数增加,和一些实验和理论预测确实存在差异。测量水板面积增加而增加液体射流雷诺数和撞击角的范围内当前的研究。

1。介绍

撞击飞机配置指的是两个相同的斜液体喷流包含在一个平面,这影响到对方。随后,液体表包含液体中形成一个平面垂直于飞机可后来分裂和产生的液滴。因为一个飞机的动压头对其他飞机的解体,撞击飞机产生良好的雾化和混合。这种类型的撞击射流气泡容易制造和在多个应用程序中使用诸如火箭推进引擎和化学反应堆。撞击飞机流的特点和结构取决于几个参数如液体喷射速度和直径,撞击角度,preimpingement长度,和周围的介质。

撞击飞机已经被一些理论和实验研究的主题指向表形状、破裂长度、板和rim厚度、喷雾模式和破裂机制。瑞安et al。1)进行了理论和实验研究水的雾化特性表产生的撞击飞机因而和线性stability-based模型利用反对称的低和高韦伯数政权,分别。结果表明,射流出口条件的强烈影响喷雾形成过程。层流管产生的破裂长度大,而湍流导致分手的长度要短得多。分手的长度定义为水从边缘板的长度在方位0°角为180°。预测的无量纲长度分手l/D,在那里D是喷射直径,发现overpredict测量。原因是由于引入的假设推导的理论解决方案。李和Ashgriz2)派生分手的长度和宽度液体表基于表形状预测的易卜拉欣和Przekwas3]。重大偏差的理论预测和实验结果之间分手长度通常被发现在高韦伯数超过200,韦伯数的定义为惯性力比表面张力的力量。Inamura和冻干4]获得液体分析关系表形状、破裂长度和边缘厚度。理论上预测的形状并不总是完美的,但整体测量和理论之间的协议是令人满意的。预测分手液体表可以不同,因为选择的长度的临界值的大小扰动的液体表分解成韧带。赵et al。5]调查理论上液体表分手撞击所引起的长度和宽度的液体喷射发行椭圆喷嘴。理论预测表的长度和宽度是在良好的协议与实验结果,但椭圆射流形成的单轮飞机比这更不稳定。

根据液体射流雷诺数或韦伯数和两架飞机之间的角度,可以确定不同的喷流型政权。布什和Hasha [6)获得了Re-We地图包括七个政权。Ciezki et al。7)观察到两个撞击飞机不同流体的流动机制。几个分手政权在Re-We图识别和策划。rim与液滴分离,无边的分离,韧带结构,充分发展模式,和ray-shaped结构。李和Ashgriz2和荣格et al。8]研究了流动结构。大部分的喷雾模式被不同的研究人员是相似的,如封闭的边缘政权,open-rim政权,充分发展机制。然而,之前获得政权的地图不同因为不同实验条件的测试。的具体细节的破裂机制产生的液体表由两个相同的飞机的撞击仍不是很清楚,并提出各种解释。海德曼et al。9)认为,液体表产生的撞击飞机变得平静而破裂,因为液体上的空气动力波板表面,这影响电波从撞击点负责液体表的分手。东布罗夫斯基和约翰10)提出分手液体的表是由空气动力学和水动力不稳定波,在分手前在更高的液体喷射速度和撞击角度。李和Ashgriz2]提出两个分手的场景基于毛细管不稳定和Kelvin-Helmholtz不稳定。

数值模拟的研究不如实验和理论的众多由于多相流的复杂性所产生的撞击飞机。多相流的多尺度需要大量的计算资源。井上et al。11)进行模拟与水平集方法的一个变体。Arienti et al。12)利用制定CLSVOF(结合水平集和volume-of-fluid)。陈等人。13)进行了高保真的直接数值模拟撞击飞机的性能改进volume-of-fluid方法,与自适应网格细化(ARM)增强技术。不同层次的网格细化和喷雾模式使用的液体链,封闭的边缘,开放的边缘,不稳定的边缘,和影响波得到的模拟。这项研究导致了这样的结论:剪切层之间的交互的两个撞击飞机负责海浪撞击点的生成的影响。

从简短的文献综述可以看出,没有普遍同意分手的机制,不同的政权地图已被观察到。固有的理论解决方案,因为假设是有限的,和计算的研究需要大量的网格点和计算时间得到充分解决和可靠的结果。目前工作的目标包括一个使用高速摄影实验研究开发一个政权地图通过识别分手体制和机制水表生成的两种液体撞击飞机的操作主要是在动荡的政权在一系列液体喷射速度或韦伯数和撞击角度(2θ)。分手的长度也是敏感的喷气出口条件,和以前的变化测量报告。因此,分手长度测量和比较与先前的实验研究和现有的解析表达式。最后,水单实测面积是第一次,因为它提供了一个前置级雾化行为的迹象。

2。实验

封闭液压回路用于生成两个撞击飞机如图1。它由一个清晰的丙烯酸水箱和两个磁耦合的离心泵,管道供水的液体射流喷嘴使用灵活的软管。水从管道喷嘴退出返回到水箱。水流速测量使用两个ωFLR1000 ultra-flow传感器分别是校准的准确性为1%。流传感器连接到虚拟仪器的采集系统编程。在水箱的温度不断监控在整个实验过程中使用k热电偶,以确保它不会影响流体的粘滞性,因此雾化性能。

雾化器是由两个不锈钢管喷嘴的内部直径0.686毫米。每个管长度为152.4毫米长度直径比l_p/D= 220。因此可以认为流动充分发展管出口的发行。锐边的两个管喷嘴孔定位板上铰接系统的拨号毕业允许精确定位和设置之间的分离角范围内的两个水飞机从60°- 120°。

流使用高速摄像机进行了可视化实验(Photron FASTCAM SA3)在背景照明LED照明灯矩阵提供的来源。捕获的图像和分析使用软件Photron FASTCAM观众版本352。的分辨率256×256像素是15000 fps的帧速率。水板破裂长度和区域从图像中获得了高速相机。随机误差造成的破裂长度的不确定性估计不到5%的测量,同时对水单区,是非常不同的在不同的喷射速度,但其最大值不超过14%。

3所示。结果

本节讨论了喷雾模式、流态地图,分手长度测量。实验运行进行了一系列的水射流速度变化从2.25 m / s, 7.89 m / s三个撞击角度的60°,90°和120°。对于所有的情况考虑,preimpingement长度被选中,这样它比飞机解体长度小得多。提供指导,几何表示和方向如图2。包含水的平面表被称为表平面(Y- - - - - -Z)和飞机垂直于它包含飞机喷气式飞机(X- - - - - -Z)。的相机,这将代表前视图(阵线”和侧视图(SV)。

图3演示了一个前视图图像平面的液体表(Y- - - - - -Z)高速摄像机记录了。两水飞机撞击的位置上彼此命名为撞击点。撞击点的距离的环抱水单的定义是分手的长度。

3.1。喷雾模式

图4说明了模式生成的两个液体喷射流在几个液体喷射速度和三个分离的角度。两个视图记录为每一个条件,即前面的视图(Y- - - - - -Z)和侧视图(X- - - - - -Z)。很明显,水板面积增加而增加了水射流速度和撞击角。四个喷雾图像的模式识别高速摄像机记录了当前的研究流量范围内。

3.1.1。Presheet形成机制

在小水射流速度,生成一张小近椭圆水,有界的边缘由于表面张力的力量。水单是稳定的,但折边。但是,没有韧带和液滴生成在水单上的优势。生成不规则和扭曲的飞机从水单,生产一些大的液滴由于表面的生长tension-induced轴对称射流表面振荡,这是瑞利喷气式飞机解体机制分手政权所描述的那个宿舍叫赖茨(14]。在图4水射流速度时,图片是2.25 m / s, 3.38 m / s的撞击角60°属于这种喷雾模式和图像在水射流速度2.25米/秒的撞击角度90°和120°图4。

3.1.2。光滑的表政权

与水射流速度的增加,出现一个稳定的更大、更广泛的水单,但由于动量力比表面张力变大,一些出现在边缘的水滴表和保持发展中沿着边缘直到他们离开边缘成为首先韧带,然后滴。水射流速度的图像4.50 m / s, 5.63 m / s 60°的撞击角度和图像当水射流速度3.38米/秒,4.50 m / s的撞击角度90°和120°图4这个政权。

3.1.3。折边板政权

在这个政权,也称为不稳定的政权,表面波在撞击点的表是可见的。韧带和液滴开始脱离水的边缘板由于干扰从水飞机本身15]。图片当水射流速度6.77米/秒,7.89 m / s 60°的撞击角度和速度是5.63米/秒时撞击角度90°和120°的人物4属于这个政权。

3.1.4。Open-Rim表政权

进一步增加水流速、波浪和发展水板表面移动,导致水表变得不稳定,随着海浪到达后的水单,水的下部表分解成韧带和液滴由于Kelvin-Helmholtz-type李解释的不稳定和Ashgriz2]。在这种情况下,周围的边缘板限制水单分手的分手,是开放的,这显然是图像上显示当喷气速度达到或超过6.77 m / s的撞击角度90°和120°图4。高速摄影电影实际上显示板撕裂和成长在一个或多或少地定期与随机生成的随机发生穿孔在时间和空间上(见图5)。生成的大部分液体滴从周围的边缘表仍然发生。

从水的图片和喷雾模式表,分手机制可以用这一事实来解释较低的喷射速度open-rim政权发生之前,液体表产生的撞击飞机成为空气动力波的折边,因为液体板表面,在高水射流速度,影响波的两架飞机撞击产生的主导水表分手。

图6介绍了流型政权地图使用雷诺数的关系基于飞机平均速度和直径和撞击角。这表明presheet形成政权当水射流是层流。过渡地区政权的平稳表出现。当飞机变得沧桑,一张折边。高冲击角,喷雾模式启动的发病较低雷诺数小撞击角。虽然目前的结果类似于那些通过李和Ashgriz [2),之前的确认制度也在这工作,之间有显著差异的两个政权的形状的地图。这背后的原因很容易归因于新兴液体喷射条件差异被强烈影响喷雾形成过程,因此获得的流型。

3.2。分手后的长度

长度测量的分手l在这一节中讨论与实验结果相比,瑞安et al。1分手),理论上计算长度使用相关性从李和Ashgriz [2和瑞安等。1因而理论[]基于现有的静止的反对称3和线性stability-based理论16]。低韦伯政权,分手的理论关联长度给出 在哪里一个系数,可以获得来自哪里 ; 射流半径;是撞击角的一半;和韦伯数定义为 ,其中是液体的密度,是射流出口速度平均,D液体喷射直径。

对高韦伯数政权,水单分手长度相关性给出 在哪里 , 空气的密度,是水的密度。

测量分手长度在不同的水射流速度和撞击角度获得的平均长度从50图像从高速相机图像记录随机误差降到最低。如图7在层流情况下分手,无量纲长度(一个单点在目前实验)不会改变与撞击角,并与理论解一致。因为数量有限的实验值获得较低的韦伯数在目前的工作,因此,这个结论是要谨慎对待。在动荡的情况下,首先增加分手的长度与韦伯数,然后似乎倾向于一个常数值的撞击角度120°。发现分手长度减少随着撞击角因为动量垂直于轴增加,使更高的冲击压力,缩短了水单。理论和实验值之间的差异在一定程度上是由于简化假设嵌入理论相关忽略等实际影响离开了膨胀波(1),这一事实忽略飞机出口条件对分手行为有显著影响。湍流射流剪切层中是另一个参数一定会有一定的影响,但迄今为止还没有量化以系统的方式。

类似的理论结果方程(1)如图7分手,无量纲长度是线性参数成比例的 ,从当前研究和有限的实验数据协议,延长层流情况下由瑞安et al。1]。当参数大于20,测量结果明显低于级的理论预测,但是,但是,都遵循类似的趋势与韦伯数增加。

之间的显著偏差的起源目前的实验结果和理论预测方程给定文本的早些时候更高韦伯数范围是难以跟踪。尽管如此,可能来源的差异可以追溯到中使用的内在假设线性stability-based理论突出了Inamura和[冻干4)和液体的表不维护一个封闭的边缘时,韦伯数架相对更高。此外,非常小,但是有限的,波动的水射流的速度可能会观察到的偏差。

3.3。水单区域

水单区域被定义为所占据的面积的水单边缘包围。这是说明了射流出口速度和撞击角度,即。表机制图5。测量的地区使用ImageJ [17),每一种情况下,样品50图像处理。

测量水单区域的变化与单个射流雷诺数和三个撞击角度考虑如图8。可以看出,一般来说,一个固定的撞击角,水板面积增加与水射流雷诺数退出。不是单调增加;不过,所有这三个曲线显示一个扭结在雷诺数的值等于3000。低于或高于这个值,该地区的变化率与雷诺数是线性的更高的利率高于3000。3000年以后,该地区可以增加350%。这与雷诺数变化是由于高压产生的影响,它把水向外传播,导致广泛的水床单和大表区域,虽然表长度越来越短。这一趋势的行为表地区与李和Ashgriz[的结果是一致的2)观察到一个同步但不同分手的长度和宽度的增加水以增加水射流速度表。然而,Inamura和冻干4)观察到一个相反的趋势,水板的面积随喷射速度增大而减小,当雷诺数大于7000的水单是一张扑政权在相应的速度范围,不断发展和蜕变的水单和喷射速度的增加。水板面积增加也与撞击角。增加表现超出了雷诺数3000的价值,而不是大的下面。因此,大型撞击角度导致大量增加在该地区特殊的雷诺数。这个结果再次证实,撞击角度确实有影响的横向传播水单。

4所示。结论

实验研究探讨流动机制和破裂长度两个液体撞击飞机在一系列液体流率。流速的范围内研究与之前的研究相一致,四个分手政权被识别;这些presheet形成光滑的板,折边板,open-rim表制度。这些政权的空间范围在地图上发现了不同从之前的作品。这可以追溯到等影响喷嘴几何和环境以复杂的方式影响分手政权。

分手的长度测量几个飞机韦伯数和撞击角组合。当前测量值略高于瑞安的et al。1),低于理论预测。

雷诺数和撞击角的范围内考虑,发现水板的面积增加线性与雷诺数的扭结曲线在雷诺数为3000的价值。该地区与撞击角也会增加。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从夏雅康。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢石油学院,哈利法塔科技大学的支持。