熊紅平 ，劉金宏 ，施紅輝 ，章利特

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900)

?

高速氬氣流中水滴和電子氟化液滴變形破碎的實(shí)驗(yàn)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(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900)

在豎直激波管中實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)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(kāi)始變形和破碎的時(shí)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(wèn)題是一個(gè)典型的多相流體力學(xué)問(wèn)題，該問(wèn)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(jià)值。

1951年，Lane[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究提出，液滴的破碎是一個(gè)邊界層不斷脫落的過(guò)程。Engel[2]則認(rèn)為，在高速氣流中液滴表面上生成的不穩(wěn)定波紋對(duì)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(guò)后形成的對(duì)流流場(chǎng)的相互作用的結(jié)果。Wierzba等[4]在液滴變形破碎的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，使用脈沖激光全息干涉技術(shù)確認(rèn)了剝離類型的四個(gè)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(duì)不同類型的液滴進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)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?dāng)?shù)(We數(shù))和奧內(nèi)佐格數(shù)(Oh數(shù))對(duì)液滴變形破碎特性的影響。耿繼輝等[7]通過(guò)產(chǎn)生不同形狀的液滴，發(fā)現(xiàn)初始液滴形狀對(duì)激波與液滴的相互作用及液滴加速、變形和破碎過(guò)程有重要影響。肖毅等[8]在水平激波管中對(duì)激波與液滴的相互作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，使用高速攝影儀詳細(xì)記錄了液滴的變化過(guò)程，探討了液滴位移及橫向直徑隨時(shí)間的變化關(guān)系。易翔宇等[9]使用直接高速攝影方法，實(shí)驗(yàn)研究了在激波誘導(dǎo)高速流場(chǎng)中毫米尺寸的液滴的變形與破碎，指出液滴的發(fā)展過(guò)程可分為初期變形、剪切剝離以及破碎霧化三個(gè)典型階段。金仁瀚等[10]通過(guò)研究液滴初始直徑對(duì)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(duì)液滴在激波沖擊下的破裂過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shì)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(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，氣場(chǎng)對(duì)液滴的加速或減速導(dǎo)致的R-T不穩(wěn)定性等問(wèn)題都對(duì)該研究帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。雖然以往的研究得出了有價(jià)值的結(jié)論，但對(duì)于液滴破碎的機(jī)制仍沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此還需要進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。本文在豎直激波管中進(jìn)行了激波沖擊下液滴的變形破碎實(shí)驗(yàn)，使用高速相機(jī)直接拍攝法及陰影法記錄了液滴的失穩(wěn)變形破碎過(guò)程，觀測(cè)到了液滴破碎分散的分布情況，定量分析了液滴的運(yùn)動(dòng)及橫向變形與時(shí)間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本文實(shí)驗(yàn)在豎直激波管(如圖1所示)中進(jìn)行，激波管由驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段和實(shí)驗(yàn)段組成，驅(qū)動(dòng)段與被驅(qū)動(dòng)段間用塑料膜片隔開(kāi)，實(shí)驗(yàn)選取的高壓驅(qū)動(dòng)氣體為氦氣，被驅(qū)動(dòng)氣體為空氣和氬氣，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)段總長(zhǎng)為450mm，內(nèi)橫截面尺寸為100mm×100mm，實(shí)驗(yàn)段左右兩側(cè)開(kāi)有光學(xué)玻璃窗口，高速相機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)段右側(cè)，用于拍攝記錄液滴與激波相互作用過(guò)程及液滴變形破碎混合過(guò)程的形態(tài)特征，其拍攝幅頻分別為1/5000fbs和1/7500fbs，即相鄰實(shí)驗(yàn)圖片的時(shí)間間隔為0.20ms和0.13ms。實(shí)驗(yàn)段左側(cè)放置的冷光源形成背景光，使實(shí)驗(yàn)圖像更為清晰并且更加符合液滴在變化過(guò)程中的真實(shí)情況。液滴產(chǎn)生裝置由閥門、儲(chǔ)液柱及細(xì)軟管組成，儲(chǔ)液柱通過(guò)螺紋連接固定在實(shí)驗(yàn)段上，其中心位置開(kāi)有直徑1mm的小孔，用于生成具有一定直徑的液滴。實(shí)驗(yàn)前通過(guò)使用注射器將液體注射到儲(chǔ)液柱內(nèi)；實(shí)驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟閥門產(chǎn)生液滴，因?yàn)閮?chǔ)液柱內(nèi)外的壓差作用，從儲(chǔ)液柱下方小孔處生成相對(duì)穩(wěn)定的液滴，然后液滴在自身重力作用下滴落至實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流場(chǎng)區(qū)域。激波由激光與液滴的碰撞、接觸產(chǎn)生，即當(dāng)激光器發(fā)出的激光通過(guò)光學(xué)玻璃窗口進(jìn)入實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)區(qū)域時(shí)，與下落的液滴接觸，此時(shí)觸發(fā)破膜信號(hào)，膜片通過(guò)電熱破膜方式瞬時(shí)破膜后，產(chǎn)生從上往下傳播的平面激波，同時(shí)該觸發(fā)信號(hào)可用來(lái)觸發(fā)高速相機(jī)進(jìn)行拍攝紀(jì)錄。

圖1 豎直激波管實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2為實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量原理示意圖，由于實(shí)驗(yàn)受到各方面因素的影響，實(shí)際值與測(cè)量值之間存在一定的誤差，經(jīng)計(jì)算分析，其誤差約為3.2%。圖2(a)為初始零時(shí)刻，初始時(shí)刻為激波未與液滴相互作用時(shí)的時(shí)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(yùn)動(dòng)，并開(kāi)始發(fā)生變形和破碎，如圖2(b)所示，此時(shí)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?yàn)橐旱纹扑橹蟮某叽绶植驾^為復(fù)雜，為了減少測(cè)量誤差，針對(duì)每組數(shù)據(jù)分別測(cè)量三次，然后取三次數(shù)據(jù)的均值作為最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量原理

實(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)力黏度，d0是初始液滴直徑。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及工況

注：1、2號(hào)中的液體為電子氟化液；3、4、5、6號(hào)中的液體為蒸餾水；當(dāng)馬赫數(shù)為1.30時(shí)，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(shí)驗(yàn)室溫為298 K。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了方便觀察液滴的變形破碎過(guò)程，在圖片處理過(guò)程中，將原來(lái)豎直的液滴實(shí)驗(yàn)圖片改為水平方向，得到如圖3—圖5的實(shí)驗(yàn)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖片序列

圖3為采用高速相機(jī)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖片序列，該實(shí)驗(yàn)的馬赫數(shù)為1.28，液滴直徑為2.48mm，相鄰圖片的時(shí)間間隔為0.20ms。圖3(a)為初始零時(shí)刻，液滴能較好的保持球形形狀，此時(shí)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(guò)后引起的壓差作用，液滴開(kāi)始?jí)嚎s變形，此時(shí)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(xì)小液滴開(kāi)始剝離脫落，這意味著液滴表面邊界層剝離的開(kāi)始。在波后氣流作用下，液滴的背風(fēng)面開(kāi)始剝離破碎，隨著時(shí)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(duì)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(kuò)張達(dá)到最大，原始的球形液滴完全演化成云團(tuán)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?yàn)殪F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(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖片序列，該實(shí)驗(yàn)中的馬赫數(shù)為1.30，液滴直徑為2.31mm，相鄰圖片的時(shí)間間隔為0.20ms。圖4(a)為初始時(shí)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(huì)有一定的變形有關(guān)，同時(shí)因?yàn)樽冃蔚木壒?，液滴在后續(xù)的變形過(guò)程是不對(duì)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(guò)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?yàn)榧げㄟ^(guò)后產(chǎn)生的對(duì)流剪切作用，表面開(kāi)始剝離出小液滴并迅速破碎形成云霧，同時(shí)由于氣動(dòng)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)圖片序列，該實(shí)驗(yàn)中的馬赫數(shù)為1.28，液滴直徑為3.46mm，相鄰圖片的時(shí)間間隔為0.13ms。初始零時(shí)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(zhǎng)的變形過(guò)程，其變形速度更慢。激波經(jīng)過(guò)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(shí)間的發(fā)展，在迎風(fēng)面中心位置處出現(xiàn)一個(gè)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?yàn)楫?dāng)液滴的初始直徑增大時(shí)，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(méi)來(lái)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(guò)程的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)圖片序列，該實(shí)驗(yàn)中的馬赫數(shù)為1.30，液滴直徑為3.48mm，相鄰圖片的時(shí)間間隔為0.13ms，圖中下半?yún)^(qū)域的黑色物質(zhì)為相機(jī)鏡頭及透鏡鏡片上的雜質(zhì)。圖6(a)為初始時(shí)刻，液滴在自身重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，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(xì)線。液滴在與激波相互作用后，液滴開(kāi)始變形，背風(fēng)面變得扁平，并開(kāi)始有細(xì)小液滴剝離，迎風(fēng)面能保持半球狀，液滴在橫向方向擴(kuò)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(kuò)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(dá)到最大。從圖6(j)—(o)開(kāi)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(shí)驗(yàn)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(duì)比如圖7所示，圖7(a)—(b)為同一時(shí)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(dá)到相似的變形程度，在空氣中所用的時(shí)間要大于在氬氣中的時(shí)間。從兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)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(guò)后氣相密度均有一定的提高，通過(guò)計(jì)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(dòng)力也越強(qiáng)，它促進(jìn)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(guò)程中加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

圖8為液滴位移與時(shí)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(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了位移。液滴運(yùn)動(dòng)的位移S是液滴最左端的迎風(fēng)面離實(shí)驗(yàn)圖片左邊線的距離與初始時(shí)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(diǎn)，位移是時(shí)間t的函數(shù)。

圖8 液滴位移與時(shí)間關(guān)系曲線

在圖8(a)中，液滴在激波過(guò)后將加速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一個(gè)加速度先增大后趨于不變的變化過(guò)程，同時(shí)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(yùn)動(dòng)的越快，達(dá)到相同位移的時(shí)間也越少。實(shí)驗(yàn)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(méi)有保持。比較三者的位移時(shí)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(yùn)動(dòng)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(huì)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(yùn)動(dòng)相對(duì)而言更慢。

在圖8(b)中，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)激波馬赫數(shù)越大，液滴運(yùn)動(dòng)的越快，這種趨勢(shì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)反而更快。這是因?yàn)榧げń?jīng)過(guò)液滴之后，較大馬赫數(shù)激波產(chǎn)生的氣流對(duì)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(yùn)動(dòng)要快于空氣；后期，隨著液滴質(zhì)量與氣液相對(duì)速度的減小，氣流對(duì)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(duì)速度差要大于在氬氣中的，而氣液相間的相對(duì)速度越大，氣動(dòng)力越強(qiáng)，氣體對(duì)液滴的推動(dòng)力也越大，促進(jìn)了液滴運(yùn)動(dòng)，因此液滴運(yùn)動(dòng)得更快。

圖9所示為液滴的橫向變形與無(wú)量綱時(shí)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(shí)間t經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理，得到其無(wú)量綱表達(dá)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(gè)先增大至最大值后逐漸減小的變化過(guò)程，這與之前學(xué)者的研究結(jié)果一致，但是在文獻(xiàn)[4]和[7]中所提出的液滴的橫向變形是一個(gè)線性變化過(guò)程，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律變化。對(duì)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(dá)到的最大值也越大，這與文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，如當(dāng)馬赫數(shù)為1.28時(shí)，直徑為3.12 mm的水液滴的最大值在3.8～4.2之間，當(dāng)馬赫數(shù)為1.30時(shí)，直徑為3.39 mm的水液滴最大值在4.2～4.5之間。同時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，液滴在達(dá)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(huì)繼續(xù)擴(kuò)張，橫向直徑的增大會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，如圖7所示的各條曲線的最高點(diǎn)，之后橫向直徑會(huì)逐漸減小，直至為零。但在當(dāng)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(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究液滴的最大橫向變形值，本文定義該峰值前的第一個(gè)瞬間的橫向變形值為液滴的最大橫向變形值。

通過(guò)圖9中兩種不同的液滴橫向變形曲線以及實(shí)驗(yàn)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(dá)到最大橫向變形程度所需的時(shí)間，對(duì)于電子氟化液液滴來(lái)說(shuō)只需0.80 ms，而對(duì)于水液滴來(lái)說(shuō)卻需要1.17 ms,甚至更長(zhǎng)，在可比較的實(shí)驗(yàn)條件下，兩者所表現(xiàn)出來(lái)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(duì)液滴的變形破碎起抑制作用。

圖9 液滴橫向變形與無(wú)量綱時(shí)間關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

a) 在液滴的變形破碎過(guò)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(dòng)力越強(qiáng)，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(jìn)了液滴的變形破碎，在液滴的變形破碎過(guò)程中為不穩(wěn)定性因素。

c) 激波馬赫數(shù)相同時(shí)，初始液滴直徑越小，液滴運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)受到高速相機(jī)拍攝幅頻的限制，不能拍攝記錄更多液滴變形破碎過(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖片，所以要深入研究液滴在高速氣流中變形破碎的機(jī)理，必須使用更高拍攝幅頻的高速相機(jī)。

[1] LANE W. Shatter of drops in stream of air[J].Industrial and Engineering Chemistry,1951,43(6):1312-1317.

[2] ENGEL O G. Fragmentation of water drops in the zone behind an air shock[J].Journal of Research of the National Bureau of Standards，1958，60(3)：245-280.

[3] RANGER A A，NICHOLLS J A. Aerodynamics shattering of liquid drops[J].Journal of American Institute of Aeronautics and Astronautics，1969，7(2)：285-290.

[4] WIERZBA A，TAKAYAMA K. Experimental investigation of aerodynamic breakup of liquid drops [J]. Journal of American Institute of Aeronautics and Astronautics，1988，26(11)：1329-1335.

[5] HSIANG L P，F(xiàn)AETH G. Near-limit drop deformation and secondary breakup [J]. International Journal of Multiphase Flow，1992，18(5)：635-652.

[6] HSIANG L P，F(xiàn)AETH G. Drop deformation and breakup due to shock wave and steady disturbances [J]. International Journal of Multiphase Flow，1995，21(4)：545-560.

[7] 耿繼輝，葉經(jīng)方，王健，等.激波誘導(dǎo)液滴變形和破碎現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(5)：797-800.

[8] 肖毅，施紅輝，吳宇，等.激波與液滴作用的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30(2):203-207.

[9] 易翔宇，郭帥濤，朱雨建，等.高速氣流中液滴破碎實(shí)驗(yàn)研究[C]//第十六屆全國(guó)激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.河南洛陽(yáng)，2014:360-365.

[10] 金仁瀚，劉勇，朱冬清，等.初始直徑對(duì)單液滴破碎特性影響的試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，30(10)：2401-2409

[11] 王超，吳宇，施紅輝，等.液滴在激波沖擊下的破裂過(guò)程[J].爆炸與沖擊，2016,36(1):129-134.

(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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11302201)；國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C670801150C67292)

熊紅平(1990-),男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事流體機(jī)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