PDF《液滴在激波冲击下的破裂过程》

w、 w和w分别为液滴的密度、 表面张力和动力黏度;

d 0为液滴 的初始直径.实验和计算中各参数的具体数值, 如表1所示, 表中 M a为入射激波马赫数.

0 3

1 爆≌∮〕』〉3 6卷 表1 实验参数 T a b l e1 E x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s 实验 液滴 M a d

0 / mm W e O h

1 水1.

1 0 1.

6 4

9 4.

4 8 0.

0 0

29 2 水1.

1 0 2.

1 6

1 2 4.

4 4 0.

0 0

26 3 水1.

1 0 2.

4 6

1 4 1.

7 2 0.

0 0

24 4 水1.

2 5 1.

6 8

5 1 8.

7 5 0.

0 0

29 5 甘油 1.

1 0 2.

4 6

1 6 7.

2 3 3.

4 5

00 ∈笛1的实验与数值模拟结果如图3( a ) 所示.左列为数值模拟结果, 图示的是密度云图, 右列为 实验照片, 上下两幅图时间间隔为0.

2 5m s .从图中可以看到, 实验与计算的液滴变化趋势是相近的, 从开始的压缩变形为一个薄圆盘状结构, 其后液滴的横向直径增大, 轴向直径降低;

紧接着, 薄圆盘状结 构逐渐扩展, 更细小的液滴从上下两端不断脱落, 原始的球形液滴演化成了云团状, 并继续沿横向和轴 向扩张.由前4幅对比可以看出, 激波作用后刚开始数值模拟中液滴的横向变形没有实验中的剧烈, 仍 显得比较 胖 , 第4幅左图数值模拟结果也就没能出现类似右图中的细棍状结构.最后两张对比图片 中, 虽然大致上两者的雾化扩张类似, 但是, 数值模拟中液滴中间已经只剩下一个点状水粒, 而实验照片 显示液滴中间是被打散的极小液滴密集而成的云团结构.最后一张对比图中, 可以明显看到实验中液 滴已经雾化成云团, 而数值模拟结果仍然显示液滴有未破碎的内核存在, 这是因为 VO F模型中没有加 入液滴的破碎机制. ⊥3 ( b ) 给出了实验2的数值模拟结果和实验结果.由图可以明显看出, 数值模拟的液滴变形演变 速度比实验的慢.与图3 ( a ) 不同, 在图3 ( b ) 的最后一幅图中, 两相界面上出现了尖钉和气泡, 这是 RM 不稳定性作用的结果.因为当初始液滴的直径增大时, 由于液滴的体积和质量更大, 其破碎变形肯定比 小直径的液滴慢, 所以在图3 ( a ) 中液滴还没来得及出现 RM 不稳定的结构就破碎了. 图3 实验1~3的数值模拟结果( 左) 与实验照片( 右) ( 壳t=0.

2 5m s ) F i g .

3 N u m e r i c a l s i m u l a t i o n( l e f t ) a n de x p e r i m e n t a l( r i g h t ) r e s u l t so f e x p e r i m e n t s1-3

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1 〉1期⊥〕, 等:液滴在激波冲击下的破裂过程 ⊥3 ( c ) 给出了实验3的数值结果和实验结果.在前5幅图中, 液滴的变化和实验照片一致.在第 6幅图中, 计算与实验结果都出现了 RM 不稳定性引起的尖钉和气泡结构, 计算结果中向左侧突起的尖 钉结构比较明显, 而实验结果的右侧包裹有明显的气泡结构, 可是计算与实验中液滴的横向直径增加趋 势仍然是一致的.实验结果的前4幅图中, 液滴中偏左位置的白色圆孔不是气泡结构, 而是由于液滴反 光造成的拍摄干扰. ⊥4给出了液滴横向直径与初始直径之比d / d 0随时间的变化关系.在激波作用后液滴变形的初 始线性增长阶段和中期非线性发展阶段, 数值结果与实验结果符合很好, 而在后期的破碎发展阶段, 数 值结果与实验结果偏离.尤其是实验1中最后一组数据, 实验观测到液滴核心的横向直径已经因液滴 周围突发破碎而减小, 而数值结果则相反, 原因是数值计算中没有加入突发破碎模型. ⊥5给出了实验4的数值计算和实验结果对比图.实验4与实验1具有相同的 O h, 而两者的 W e 差别较大.从实验中可以看出, 在激波扫过后, 液滴几乎没有出现明显的压缩变形就发生突然破碎, 这 说明随着 W e 增大到一定程度, 液滴的破碎模式发生了根本性改变: W e 较小时液滴经历由变形到破碎 的剪切破碎模式, 而当 W e 增大到一定值时, 为突发破碎模式.一般而言, 破碎模式的临界 W e 在5