基于X射线成像技术的幂律流体射流近场区域破碎机理研究

As a kind of important non-Newton fluid fuel, the power-law liquid has a unique rheological characteristic, which makes it show rather different breakup behavior compared with that of normal Newton fluid. Usually, in the near field of a power-law liquid jet with high Weber Number or high Gas-Liquid Ratio, the core is surrounded by very dense "droplets clouds". Due to the strong multiple scattering effect of liquid droplets on traditional optical diagnostics, the understanding to the primary breakup mechanism of the jet can be regards far from reached. Since X-ray has many advantages, such as short wavelength, high photon energy and weak multiple scattering effect, some modern diagnostic techniques, including X-ray radiography imaging, X-ray phase contrast imaging and phase Doppler particle anemometry, are introduced in this study based on the research platform of SSRF and SKLE, and breakup process and breakup property in the near field of a power-law liquid jet are studied in detail. It is hoped that the temporal and spatial changing of density property, velocity property, morphology property and scale property in different parts of the jet, such as jet core, gas-liquid interface and droplet area, as well as the effects of various kinds of experimental conditions on these properties, can all be obtained. It is also believed that with the help of study results, much more thorough information about the power-law liquid jet can be learned. Of course this will lead to the establishment of a more reasonable and powerful prediction breakup model, and will no doubt promote the control and utilizing of the phenomenon.

作为一种重要的非牛顿流体燃料，幂律流体具有独特的流变特性，使得它呈现出与传统牛顿流体燃料明显不同的破碎特征。在大韦伯数或高气液密度比条件下，幂律流体射流近场区域液体核心为浓密的“液滴云”所笼罩，液滴对入射光线强烈的多重散射效应严重制约了传统光学诊断技术对射流初次破碎的深入研究。本项目利用X射线波长短、光子能量高、多重散射弱的光学特性，基于“上海光源”高水平的研究平台和本实验室现有的研究条件，综合采用X射线透射成像技术、X射线相衬成像技术、相位多普勒测速技术等手段，对幂律流体射流近场区域的破碎特征及机理进行实验研究，获取包括液核区、界面区、液滴区等区域内射流的密度、速度、形貌、尺度等特征的时空变化规律，以及各种实验条件对破碎特征的影响，从而揭示幂律流体射流破碎机理及规律。在此基础上，建立幂律流体射流高精度的破碎模型，并实现对射流破碎的有效控制。

新型替代燃料如凝胶燃料等，流变特性呈现出非常强的幂律特征，射流过程也与传统燃料有很大的差异性，此类燃料被称之为幂律流体燃料。目前对于该类燃料射流雾化过程的探究仍较少，因此对其雾化机理的研究具有非常深远的意义。本课题采用理论分析、数值仿真及试验探究相结合的方法对幂律流体射流破碎过程进行了研究，总结各因素对其射流破碎的影响规律，寻找最为有效的幂律流体破碎方式与喷射装置，进而为幂律燃料发动机喷射系统与燃油系统的设计提供参考和指导。. 基于不稳定性分析理论，分别建立了横风下幂律流体圆柱射流和基于多重气流运动的幂律流体环膜射流的数理模型，分析讨论了各无量纲参数对射流不稳定性的影响规律，阐述了幂律流体射流破碎的机理。此外，研究采用DNS结合VOF的方法研究了湍流作用下的幂律流体的射流演化过程。结果表明，随着射流进程，液柱表面开始波动形成凸起，在湍流及气液相互作用下，进而拉伸剪切成各种液丝。液丝又进一步破碎成各种形状的液团和液滴。与此同时，液丝在变形过程中，经过剪切、拉伸、扭曲后形成了不同的破碎模式。. 设计并搭建了一套系统的可视化光学试验平台，该平台采用了高速摄影技术、X射线成像技术以及激光相位多普勒技术，能测量射流近场区形貌特征及远场区破碎特征，包括：宏观形貌特征、液核区质量分布、液滴速度场分布以及液滴粒径分布。采用高速摄影技术获得了幂律流体环膜射流的五种不同射流模式，定义并分析了表征射流效果的特征参数，研究了各影响因素对射流不稳定性的影响规律。采用X射线成像技术获得射流核心区的质量分布特征，研究了各影响因素对射流核心区质量分布的影响规律。采用相位多普勒粒子分析技术，获得了远场区液滴的速度场及粒度场的分布特征，研究了不同影响因素对射流远场区速度以及索特平均直径的影响规律。.综上，通过理论、仿真与试验三位一体的方式研究了幂律流体射流雾化破碎过程，总结了其破碎规律，为相关的幂律流体燃料的内燃机的燃烧系统与燃料供给系统的设计与研究提供参考与指导。