熊紅平 ，劉金宏 ，施紅輝 ，章利特

(1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽 621900)

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高速氬氣流中水滴和電子氟化液滴變形破碎的實驗研究

熊紅平1，劉金宏2，施紅輝1，章利特1

(1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽 621900)

在豎直激波管中實驗研究了液滴在高速氣流中的變形破碎現(xiàn)象。使用高速相機直接拍攝法以及陰影法獲得了兩種不同的液滴在不同氣相中變形破碎的形態(tài)特征圖像，定量分析了液滴位移及橫向變形隨時間的變化關(guān)系。結(jié)果表明：液滴的表面張力越小，液滴越容易變形破碎，且變形破碎速率越快；氣液密度比越大，液滴在氣相中越不穩(wěn)定，液滴開始變形和破碎的時間越早，且變形破碎程度更高；液滴的橫向變形最大值隨著激波馬赫數(shù)的增大而增大。

激波；電子氟化液；液滴；變形；破碎；氬氣

0 引言

高速氣流誘導(dǎo)的液滴變形破碎問題是一個典型的多相流體力學(xué)問題，該問題的研究在超音速雨滴侵蝕、多相混合物的燃燒和爆炸、液體霧化等方面均有著重要的應(yīng)用價值。

1951年，Lane[1]通過實驗研究提出，液滴的破碎是一個邊界層不斷脫落的過程。Engel[2]則認為，在高速氣流中液滴表面上生成的不穩(wěn)定波紋對液滴的破碎起著重要的作用。Ranger等[3]提出，氣流中的液滴破碎是液滴與激波過后形成的對流流場的相互作用的結(jié)果。Wierzba等[4]在液滴變形破碎的實驗研究基礎(chǔ)上，使用脈沖激光全息干涉技術(shù)確認了剝離類型的四個階段：液滴表面的破裂、壓縮變形、剝離破碎和二次剝離。Hisang等[5-6]對不同類型的液滴進行了大量的實驗研究，得到了不同初始狀態(tài)下液滴的變形破碎模式，分析了韋伯數(shù)(We數(shù))和奧內(nèi)佐格數(shù)(Oh數(shù))對液滴變形破碎特性的影響。耿繼輝等[7]通過產(chǎn)生不同形狀的液滴，發(fā)現(xiàn)初始液滴形狀對激波與液滴的相互作用及液滴加速、變形和破碎過程有重要影響。肖毅等[8]在水平激波管中對激波與液滴的相互作用進行了實驗研究，使用高速攝影儀詳細記錄了液滴的變化過程，探討了液滴位移及橫向直徑隨時間的變化關(guān)系。易翔宇等[9]使用直接高速攝影方法，實驗研究了在激波誘導(dǎo)高速流場中毫米尺寸的液滴的變形與破碎，指出液滴的發(fā)展過程可分為初期變形、剪切剝離以及破碎霧化三個典型階段。金仁瀚等[10]通過研究液滴初始直徑對液滴變形破碎特性的影響，指出液滴初始直徑的增加使得液滴破碎模式由單一的破碎模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N模式組合的混合型破碎模式。王超等[11]對液滴在激波沖擊下的破裂過程進行了實驗研究和數(shù)值模擬，結(jié)果表明不同液滴直徑、不同液滴介質(zhì)等參數(shù)下的液滴變形破碎發(fā)展趨勢一致，但其發(fā)展速度不同。

液滴在高速氣流中的變形破碎是一個非常復(fù)雜的過程，氣場對液滴的加速或減速導(dǎo)致的R-T不穩(wěn)定性等問題都對該研究帶來了不小的挑戰(zhàn)。雖然以往的研究得出了有價值的結(jié)論，但對于液滴破碎的機制仍沒有統(tǒng)一的認識，因此還需要進行更深入的實驗和數(shù)值研究。本文在豎直激波管中進行了激波沖擊下液滴的變形破碎實驗，使用高速相機直接拍攝法及陰影法記錄了液滴的失穩(wěn)變形破碎過程，觀測到了液滴破碎分散的分布情況，定量分析了液滴的運動及橫向變形與時間的關(guān)系。

1 實驗裝置及方法

本文實驗在豎直激波管(如圖1所示)中進行，激波管由驅(qū)動段、被驅(qū)動段和實驗段組成，驅(qū)動段與被驅(qū)動段間用塑料膜片隔開，實驗選取的高壓驅(qū)動氣體為氦氣，被驅(qū)動氣體為空氣和氬氣，實驗時通過改變驅(qū)動段高壓氣體壓力，采用電熱破膜方式破膜產(chǎn)生馬赫數(shù)1.28～1.30的入射激波。實驗段總長為450mm，內(nèi)橫截面尺寸為100mm×100mm，實驗段左右兩側(cè)開有光學(xué)玻璃窗口，高速相機放置在實驗段右側(cè)，用于拍攝記錄液滴與激波相互作用過程及液滴變形破碎混合過程的形態(tài)特征，其拍攝幅頻分別為1/5000fbs和1/7500fbs，即相鄰實驗圖片的時間間隔為0.20ms和0.13ms。實驗段左側(cè)放置的冷光源形成背景光，使實驗圖像更為清晰并且更加符合液滴在變化過程中的真實情況。液滴產(chǎn)生裝置由閥門、儲液柱及細軟管組成，儲液柱通過螺紋連接固定在實驗段上，其中心位置開有直徑1mm的小孔，用于生成具有一定直徑的液滴。實驗前通過使用注射器將液體注射到儲液柱內(nèi)；實驗時，開啟閥門產(chǎn)生液滴，因為儲液柱內(nèi)外的壓差作用，從儲液柱下方小孔處生成相對穩(wěn)定的液滴，然后液滴在自身重力作用下滴落至實驗觀測流場區(qū)域。激波由激光與液滴的碰撞、接觸產(chǎn)生，即當激光器發(fā)出的激光通過光學(xué)玻璃窗口進入實驗流場區(qū)域時，與下落的液滴接觸，此時觸發(fā)破膜信號，膜片通過電熱破膜方式瞬時破膜后，產(chǎn)生從上往下傳播的平面激波，同時該觸發(fā)信號可用來觸發(fā)高速相機進行拍攝紀錄。

圖1 豎直激波管實驗裝置示意圖

圖2為實驗參數(shù)的測量原理示意圖，由于實驗受到各方面因素的影響，實際值與測量值之間存在一定的誤差，經(jīng)計算分析，其誤差約為3.2%。圖2(a)為初始零時刻，初始時刻為激波未與液滴相互作用時的時刻，液滴的初始直徑為d0，液滴的迎風(fēng)面到圖像左邊線的距離為液滴的初始位移S0。激波與液滴相互作用后，液滴加速運動，并開始發(fā)生變形和破碎，如圖2(b)所示，此時液滴的位移、橫向變形尺寸以及軸向變形尺寸分別記為S、d、da。因為液滴破碎之后的尺寸分布較為復(fù)雜，為了減少測量誤差，針對每組數(shù)據(jù)分別測量三次，然后取三次數(shù)據(jù)的均值作為最后的實驗數(shù)據(jù)。

圖2 實驗參數(shù)的測量原理

實驗參數(shù)及工況如表1所示，其中We數(shù)表示慣性力與表面張力之比，Oh數(shù)表示黏性力與表面張力之比，其相應(yīng)的計算公式為：

(1)

Oh=μl/(ρld0σ)1/2

(2)

式(1)、式(2)中：ρg為波后氣體密度，ρl為液體密度，ug為波后氣流速度，σ為液體的表面張力，μl為液體的動力黏度，d0是初始液滴直徑。

表1 實驗參數(shù)及工況

注：1、2號中的液體為電子氟化液；3、4、5、6號中的液體為蒸餾水；當馬赫數(shù)為1.30時，波后氣體的密度分別為：空氣ρg=1.75 kg/m3，氬氣ρg=2.35 kg/m3；實驗室溫為298 K。

2 實驗結(jié)果與分析

為了方便觀察液滴的變形破碎過程，在圖片處理過程中，將原來豎直的液滴實驗圖片改為水平方向，得到如圖3—圖5的實驗圖片序列，圖6未作處理。

圖3 電子氟化液液滴在空氣中變形破碎過程的實驗圖片序列

圖3為采用高速相機直接拍攝方法得到的電子氟化液液滴在空氣中變形破碎過程的實驗圖片序列，該實驗的馬赫數(shù)為1.28，液滴直徑為2.48mm，相鄰圖片的時間間隔為0.20ms。圖3(a)為初始零時刻，液滴能較好的保持球形形狀，此時激波尚未與液滴相互作用。在圖3(b)中，激波與液滴的相互作用已經(jīng)完成，由于激波過后引起的壓差作用，液滴開始壓縮變形，此時液滴的迎風(fēng)面保持半球狀，而背風(fēng)面變得扁平，并在液滴赤道位置邊緣處有細小液滴開始剝離脫落，這意味著液滴表面邊界層剝離的開始。在波后氣流作用下，液滴的背風(fēng)面開始剝離破碎，隨著時間的推移，背風(fēng)面的剝離破碎更加劇烈，在背風(fēng)面一側(cè)形成一道不均勻的尾跡，并且從圖3(c)—(d)中可以看出液滴的變形破碎是下對稱的。緊接著，隨著液滴大部分區(qū)域的剝離破碎，液滴的橫向擴張達到最大，原始的球形液滴完全演化成云團狀，如圖3(e)—(f)所示。最后在反射激波以及波后氣流作用下，液滴繼續(xù)破碎剝離形成顆粒狀液滴，最終液滴因為霧化作用，霧化消失，如圖3(g)—(l)所示。

圖4為電子氟化液在氬氣中變形破碎過程的實驗圖片序列，該實驗中的馬赫數(shù)為1.30，液滴直徑為2.31mm，相鄰圖片的時間間隔為0.20ms。圖4(a)為初始時刻，從圖中可以看到，液滴初始形狀為橢球狀，這與液滴在重力作用下會有一定的變形有關(guān)，同時因為變形的緣故，液滴在后續(xù)的變形過程是不對稱的，表現(xiàn)為上窄下寬，如圖4(c)所示。從圖4中可以看出，液滴在氬氣中的變形破碎過程與在空氣中的類似，前期首先經(jīng)歷壓縮變形階段，如圖4(b)—(c)所示。緊接著在液滴表面附近因為激波過后產(chǎn)生的對流剪切作用，表面開始剝離出小液滴并迅速破碎形成云霧，同時由于氣動壓力的影響導(dǎo)致液滴完全變形，如圖4(d)—(f)所示。最后在反射激波及高速氣流作用后期階段，液滴持續(xù)破碎剝離，變成液滴塊，伴隨著微小液滴不斷從液滴塊的剝離破碎，由于霧化和蒸發(fā)作用，液滴完全破碎霧化，如圖4(g)—(l)所示。

圖4 電子氟化液液滴在氬氣中變形破碎過程的實驗圖片序列

圖5為液相為蒸餾水，氣相為空氣，采用直接拍攝方法得到的實驗圖片序列，該實驗中的馬赫數(shù)為1.28，液滴直徑為3.46mm，相鄰圖片的時間間隔為0.13ms。初始零時刻，相比于電子氟化液，直徑越大的水液滴在重力作用下的變形更為劇烈。從圖5中可以看到，水液滴相比于電子氟化液液滴要經(jīng)歷更長的變形過程，其變形速度更慢。激波經(jīng)過液滴之后，液滴表面出現(xiàn)了類似波紋狀現(xiàn)象，液滴表面不斷破碎形成系帶狀結(jié)構(gòu)，從系帶表面剝離脫落形成顆粒狀液滴，但并未在液滴尾部形成明顯的尾跡；隨著時間的發(fā)展，在迎風(fēng)面中心位置處出現(xiàn)一個凸起扁平的“尖釘”結(jié)構(gòu)，如圖5(e) —(j)所示，這是RM不穩(wěn)定性的結(jié)果。因為當液滴的初始直徑增大時，液滴的質(zhì)量以及體積隨之增大，其變形破碎速度要慢于較小的液滴，所以在圖3和圖4中并未發(fā)現(xiàn)該“尖釘”結(jié)構(gòu)，液滴在還沒來得及出現(xiàn)RM不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就破碎了。

圖5 水滴在空氣中變形破碎過程的實驗圖片序列

圖6為液相為蒸餾水，氣相為氬氣，采用陰影方法得到的實驗圖片序列，該實驗中的馬赫數(shù)為1.30，液滴直徑為3.48mm，相鄰圖片的時間間隔為0.13ms，圖中下半?yún)^(qū)域的黑色物質(zhì)為相機鏡頭及透鏡鏡片上的雜質(zhì)。圖6(a)為初始時刻，液滴在自身重力作用下向下運動，液滴尚未與激波接觸，保持較好的球形形狀。從圖6(b)—(e)中可以清楚地看到平面激波，并且可以看到激波相交現(xiàn)象，即圖6(c)中交叉的細線。液滴在與激波相互作用后，液滴開始變形，背風(fēng)面變得扁平，并開始有細小液滴剝離，迎風(fēng)面能保持半球狀，液滴在橫向方向擴張，軸向方向壓縮，在圖6(e)中，液滴的形狀類似于月牙狀。從圖6(f)—(h)，液滴連續(xù)變形并且背風(fēng)面液滴剝離更加劇烈，并在橫向方向繼續(xù)擴張。在圖6(i)下方可以看到反射激波，即圖中的粗黑線，其橫向尺寸達到最大。從圖6(j)—(o)開始,在反射激波及高速氣流作用后期，液滴急劇破碎霧化，之后完全霧化消失。

圖6 水滴在氬氣中變形破碎的實驗圖片序列

兩種不同的液滴在不同氣相中變形破碎程度的對比如圖7所示，圖7(a)—(b)為同一時刻電子氟化液在不同氣相中的變形破碎情況，從圖中可以看出，液滴在氬氣中的變形破碎要快于空氣中的，且變形破碎程度更高；圖7(c)—(d)為水液滴在不同氣相中的變形情況，達到相似的變形程度，在空氣中所用的時間要大于在氬氣中的時間。從兩組實驗對比中發(fā)現(xiàn)，在馬赫數(shù)和液滴初始直徑可比較的情況下，液滴在氬氣中的變形破碎要快于空氣中的變形破碎速度，且變形破碎程度更高。激波過后氣相密度均有一定的提高，通過計算兩者波后的氣液密度比，電子氟化液在氬氣中的氣液密度比為1.26×10-3，在空氣中的氣液密度比為9.36×10-4，在氬氣中的氣液密度比要大于在空氣中的，氣體介質(zhì)的密度越大，液滴所受的氣動力也越強，它促進了液滴的變形和破碎。因此氣液密度比越大，液滴越容易變形破碎，氣液密度比在液滴變形破碎過程中加強了液滴的變形破碎，為不穩(wěn)定性因素。

圖7 不同的液滴在不同氣相中的實驗對比圖

圖8為液滴位移與時間關(guān)系曲線圖，從圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)液滴在激波作用之后，沿激波傳播方向，即激波管軸線方向發(fā)生了運動，產(chǎn)生了位移。液滴運動的位移S是液滴最左端的迎風(fēng)面離實驗圖片左邊線的距離與初始時刻液滴的初始距離之差，該差值即為圖8曲線中的數(shù)據(jù)點，位移是時間t的函數(shù)。

圖8 液滴位移與時間關(guān)系曲線

在圖8(a)中，液滴在激波過后將加速運動，其運動趨勢是一個加速度先增大后趨于不變的變化過程，同時在激波馬赫數(shù)相同的情況下，初始液滴的直徑越小，液滴運動的越快，達到相同位移的時間也越少。實驗數(shù)據(jù)較好的滿足拋物線曲線關(guān)系式，且與擬合拋物線之間的一致性較好，但直徑為3.46 mm的水液滴卻出現(xiàn)了分散，一致性并沒有保持。比較三者的位移時間曲線可以發(fā)現(xiàn)，直徑為3.46 mm的水液滴直徑比直徑為2.48 mm和直徑為3.12 mm的液滴大，但運動卻比兩者的快，這主要與破碎之后液滴的質(zhì)量分布有關(guān)。初始階段液滴發(fā)生變形而并未破碎，較小的液滴在激波作用下更容易加速；后期階段，直徑為3.46 mm的液滴破碎之后會逐漸與原始液滴分離，質(zhì)量比較分散，而直徑為2.48 mm和直徑為3.12 mm的液滴剝離破碎之后形成的云霧與未剝離破碎的原始液滴相連，質(zhì)量更為集中，因此運動相對而言更慢。

在圖8(b)中，通過比較可以發(fā)現(xiàn)激波馬赫數(shù)越大，液滴運動的越快，這種趨勢在水液滴破碎中尤其明顯，然而在電子氟化液液滴中卻有所不同。在0.40 ms以內(nèi)，直徑為2.48 mm的液滴運動要滯后于直徑為2.31 mm的，但從0.40 ms以后，直徑為2.48 mm的液滴運動反而更快。這是因為激波經(jīng)過液滴之后，較大馬赫數(shù)激波產(chǎn)生的氣流對于小液滴的加速更快，因此前期直徑為2.31 mm的液滴在氬氣中的運動要快于空氣；后期，隨著液滴質(zhì)量與氣液相對速度的減小，氣流對于液滴的作用減弱，但是在空氣中的波后氣流速度更大，氣液相間的相對速度差要大于在氬氣中的，而氣液相間的相對速度越大，氣動力越強，氣體對液滴的推動力也越大，促進了液滴運動，因此液滴運動得更快。

圖9所示為液滴的橫向變形與無量綱時間的關(guān)系曲線圖。液滴的橫向變形可以用液滴變形后的橫向尺寸與原始液滴的直徑之比確定，即d/d0，其中液滴的橫向直徑d可根據(jù)前文提到的數(shù)據(jù)處理方法得到，時間t經(jīng)過無量綱化處理，得到其無量綱表達式，即T=t(ug/d0)(ρg/ρl)。從圖9中曲線發(fā)現(xiàn)液滴的橫向變形尺寸是一個先增大至最大值后逐漸減小的變化過程，這與之前學(xué)者的研究結(jié)果一致，但是在文獻[4]和[7]中所提出的液滴的橫向變形是一個線性變化過程，在當前實驗研究中并沒有發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律變化。對于同類型液體的液滴，激波馬赫數(shù)越大，變形破碎的速度越快，橫向變形能達到的最大值也越大，這與文獻[4]的實驗結(jié)果一致，如當馬赫數(shù)為1.28時，直徑為3.12 mm的水液滴的最大值在3.8～4.2之間，當馬赫數(shù)為1.30時，直徑為3.39 mm的水液滴最大值在4.2～4.5之間。同時，在相同激波馬赫數(shù)下，同類型的液滴的橫向變形最大值隨初始液滴直徑的增加而增大。這里需指出的是：在本文所有的實驗中，液滴在達到最大橫向變形之后，由于反射激波的作用，其在橫向方向仍然會繼續(xù)擴張，橫向直徑的增大會達到一個峰值，如圖7所示的各條曲線的最高點，之后橫向直徑會逐漸減小，直至為零。但在當前研究中，本文并不關(guān)注激波反射之后的液滴變形破碎特征，因此該峰值并不作為當前實驗研究液滴的最大橫向變形值，本文定義該峰值前的第一個瞬間的橫向變形值為液滴的最大橫向變形值。

通過圖9中兩種不同的液滴橫向變形曲線以及實驗圖片，發(fā)現(xiàn)電子氟化液液滴在高速氣流中更容易變形破碎，且變形破碎速率比水的要快，比如達到最大橫向變形程度所需的時間，對于電子氟化液液滴來說只需0.80 ms，而對于水液滴來說卻需要1.17 ms,甚至更長，在可比較的實驗條件下，兩者所表現(xiàn)出來的差異主要取決于兩者的表面張力。電子氟化液的表面張力約為水液滴的1.0/4.4，表面張力越大，液滴越不容易破碎，表明表面張力對液滴的變形破碎起抑制作用。

圖9 液滴橫向變形與無量綱時間關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

a) 在液滴的變形破碎過程中，液滴的表面張力越小，阻礙抑制液滴變形破碎的能力越低，使得液滴更易變形破碎，且液滴變形破碎的速率越快。

b) 氣液密度比越大，液滴在氣相中受到的氣動力越強，液滴越不穩(wěn)定，液滴傾向于更快地變形破碎，且變形破碎程度更高。氣液密度比的增大促進了液滴的變形破碎，在液滴的變形破碎過程中為不穩(wěn)定性因素。

c) 激波馬赫數(shù)相同時，初始液滴直徑越小，液滴運動的越快；液滴橫向變形的最大值隨著初始液滴直徑的增大而增大。對于相同類型的液滴，激波馬赫數(shù)越大，液滴的橫向變形最大值也越大。

本文實驗受到高速相機拍攝幅頻的限制，不能拍攝記錄更多液滴變形破碎過程的實驗圖片，所以要深入研究液滴在高速氣流中變形破碎的機理，必須使用更高拍攝幅頻的高速相機。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Experiments on Deformation and Breakup of Water and Electronic Fluoride Droplets in High-Speed Argon Stream

XIONGHongping1,LIUJinhong2,SHIHonghui1,ZHANGLite1

(1.Faculty of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018，China；2.National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，CAEP，Mianyang621900，China)

Experiments were carried out to investigate deformation and breakup of liquid droplets in high-speed stream in a vertical shock tube. The direct high-speed camera shooting technique and shadowgraph method were used to gain the morphological characteristics of the two different types of liquid droplets in different gas phases. The relationship between the droplet displacement and lateral deformation change with time was analyzed quantitatively. The experimental results show that the smaller the surface tension of the droplet, the easier the deformation and breakup of droplets, the faster the deformation and breakup rate. The greater the gas-liquid density ratio, the more unstable the droplets in the gas phase, the earlier the droplet begins to deform and break up, the higher the degree of deformation and fracture. The maximum value of lateral deformation of the droplet increases with the increase of shock wave Mach number.

shock wave; electronic fluoride; liquid droplet; deformation; breakup; Argon gas

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.05.017

2016-10-13 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-03-28

國家自然科學(xué)基金項目(11302201)；國防科技重點實驗室基金項目(9140C670801150C67292)

熊紅平(1990-),男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事流體機械及界面不穩(wěn)定性研究。

施紅輝，E-mail：hhshi@zstu.edu.cn

O359

A

1673- 3851 (2017) 03- 0409- 08