幂律流体气流雾化射流破碎机理研究

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1、天津大学硕士学位论文幂律流体气流雾化射流破碎机理研究InvestigationontheBreakupMechanismofaPower-LawLiquidSheetintoConfinedGasStreams学科专业：动力工程研究生：王毅博指导教师：杜青研究员企业教师：刘双喜教授级高工天津大学机械工程学院2017年12月摘要随着石化能源危机的不断突出，很多非牛顿幂律型燃料也被应用于工程实践，例如凝胶推进剂，水煤浆，以及一些替代燃油（太阳花油）等等。在非牛顿流体特征的影响下，其破碎过程表现出很多不同于牛顿流体的新特点。因此，研究其破碎机理与改善其雾化质量具有重

2、要意义。气流雾化现象广泛存在工程实践，例如燃气轮机，旋流燃烧器，火箭发动机以及化工过程等。因此，本文通过理论与实验相结合的方式研究了幂律流体气流雾化射流的破碎过程，总结其破碎规律，为相关的燃烧非牛顿燃料的内燃机的喷射设备、燃烧设备与燃料供给设备的设计与研究提供参考与指导。基于射流扰动理论，获得了表征幂律流体液膜射流不稳定性的物理数学模型，研究了流动的气相特征参数对于液膜射流界面波不稳定性的影响规律。结果表明，气液两相速度差是促进幂律流体破碎的关键参数。随着气液两相速度差的增大，由气液两相相对运动引起开尔文-霍姆斯特波逐渐主导幂律流体的破碎。外部气流的有界性对幂

3、律流体圆环液膜射流具有不稳定性效应。幂律流体圆环液膜在可压缩空气中更加不稳定，且随着气液两相速度差的增大，气流可压缩性的失稳作用更明显。另外，在流变特征与流动参数的影响下，两种扰动模式相互竞争主导幂律流体的破碎。然后，分析了气流的有界性，两侧气流的边界不对称性以及气流空气动力不对称性对于幂律流体平面液膜射流不稳定性的影响。无论是气流边界的不对称，还是气流空气动力的不对称，均能更加有效的促进幂律流体的破碎。随着两侧气流扰动作用的增强，空气动力不对称性对于幂律流体射流的失稳具有更加明显的促进作用。对于大韦伯数，即高速射流情形，空气动力不对称性可以更加有效的加速幂律

4、流体的破碎。运用阴影法通过高速摄像系统对幂律流体空气雾化射流近场区破碎模式与破碎过程进行拍摄与分析，获得了其射流近场破碎形貌以及破碎模式。结果表明，随着气液两相的相对运动增强，依次出现了串状液泡，封闭大液泡，开放液泡（圆环液膜）以及完全破碎共四种模式。气液两相速度差是控制液体破碎模式与破碎过程的重要参数，这与前面的理论分析是一致的。同时，试验结果还表明，喷射系统内部流动，非牛顿特征以及气液相对运动为幂律流体气流雾化射流的破碎的三大重要影响因素。空气动力是有效地改善幂律流体破碎与雾化过程。关键词：幂律流体，气流雾化，射流不稳定性，破碎特征，空气动力IABSTRA

5、CTWiththeincreasingcrisisoffossilfuels,moreandmorenon-Newtonianpower-lawfluids,arealwaysinvolvedinengineeringapplications,suchasgelledpropellant,coalwaterslurry,andsomealternativefuels(sunfloweroil).Withtheeffectofnon-Newtonianfeatures,itshowsmanynewbreakupcharacteristicsdifferentfr

6、omthatofNewtonianfluids.Accordingly,itisofgreatimportancetoinvestigatethebreakupmechanismandimprovetheatomizationquantityofpower-lawfluids.Thegas-atomizersprayisextensivelyemployedinengineeringapplications,suchasinternalcombustionengines,gasturbinesandswirlburners.Inthecurrentwork,t

7、hetheoreticalandexperimentalinvestigationhasbeencombinedtorevealthebreakupcharacteristicofthepowerlawfluidejectedfromagasatomizernozzle.Thiswillhelptothedesignandinvestigationofcombustionsystemsandfuelinjectionsystemsininternal-combustionenginestakingnon-Newtonianfluidsasfuels.Based

8、onthejetperturbatio