浙江理工大学学报，第3 0卷，第2期， 2 0 1 3年 3月 J o u r n a l o f Z h@a n g S c i— T e c h Un i v e r s i t y Vo 1 . 3 0,No . 2,M a r .2 0 1 3

文章编号：1 6 7 3— 3 8 5 1( 2 0 1 3 )0 2— 0 2 0 3— 0 5

激波与液滴作用的空气动力学现象的实验研究 肖 毅，施红辉，吴宇，章利特 (浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州 3 1 0 0 1 8 )

摘

要：在水平激波管中对激波与液滴的相互作用进行了实验研究。使用氮气作为高压驱动气体，进行了激波

马赫数为 1 . 1及 1 . 2 5的实验，更换生成液滴的不锈钢针头获得了不同尺寸的液滴，用高速摄影仪详细记录了液滴从

压缩变形到破碎雾化的过程。通过分析实验数据，探讨液滴位移及横向直径随时间的变化关系，液滴在激波作用之后会进行加速运动，随着液滴的不断变形，其横向直径先增大后减小，直至完全雾化。 关键词：激波；液滴；加速；变形；雾化中图分类号： 03 5 4 . 5;0 3 5 9 文献标识码： A

0引言 激波与液滴的相互作用是一个典型的两相流体力学问题，对该问题的深入研究在超音速雨滴侵蚀、 燃气轮机的设计开发及爆轰发动机中燃料燃烧的稳

年，耿继辉等[ 9]使用不同的实验介质生成了不同形状的液滴，详细分析了激波与液滴的相互作用及液滴加速、变形和破碎过程，发现液滴的初始形状对该过程有重要的影响。2 0 0 9年， K o b i e r a等_ 1 0 _在大型水平激波管中进行了高马赫数激波与己烷液滴相互

定性等方面均有着重要应用。针对这一课题，早期的研究主要致力于设计不同的实验方案，并尝试激波作用后，对液滴的变形过程进行定性表述，研究人员发现不同的 W e b e r ( We )数和 Oh n e s o r g e ( O h )数会对液滴的变形模式产生重要影响，同时形成了两 种关于液滴破碎机制的解释：其一，认为液滴的破碎是一个边界层不断脱落分离的过程；其二，强调高速气流在液滴表面生成不稳定波纹是液滴破碎的开始[ 1 ]。Hi s a n g[ 6 ]在大量的实验研究和对比前人

成果的基础上，认为在 O h数小于 0 . 1、 We数小于 5 0 0

作用的实验，使用纹影及拍摄频率可达 1 2 0 0 0帧/ s 的高速摄影系统，详细记录了己烷液滴在强激波作 用下早期的雾化过程，并测量绘制了液滴位移、横向 直径及径向直径与时间的变化图谱。

激波与液滴的相互作用是一个非常复杂的过 程，涉及到 R i c h t my e r - Me s h k o v不稳定性 l _ 1,同时

该研究也为激波与固体颗粒相互作用的研究提供了 参考[ 1。本文在水平激波管中进行了低马赫数激波的实验，使用高速摄影仪记录了液滴从变形、破碎到雾化的详细过程，并对液滴的运动和变形进行了 定量分析。

时，随着 We数的增加，液滴会依次出现无变形、无振荡变形、振荡变形、袋式破碎、混合破碎和剪切破碎模式，并绘制了相应的图表以供查询，当 We数继 续增加时会出现突发破碎 ( c a t a s t r o p h i c b r e a k u p )情

1 实验与测量方法 本文实验在如图 1所示的水平激波管中进行，

况。2 0 0 0年，陆守香和秦友花[ 8]针对激波与液滴的相互作用，建立了液滴变形破碎的理论模型，该模型 关于液滴破碎的判断与实验结果比较一致。2 0 0 3 收稿日期：2 O 1 O一0 g一1 7

整个实验装置长为 1 0 1 T I。高压气瓶 l、圆形高压段 2、圆形低压段 3及方形低压段 4组成激波发生装

置，实验段 6通过法兰与方形低压段 4及真空箱 7

基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 0 6 0 9 1, 1 0 8 0 2 0 7 7 ) 作者简介：肖毅 ( 1 9 8 9一),男，江西新余人，硕士研究生，主要从事流体控制技术及应用的研究。 通信作者：施红辉，电子邮箱： h h s h i@z s t u . e d u . c r l