冲击波诱导的液体喷射机理研究

An analogous study on the shock-induced micro jetting of melted metal and the underlying mechanism is proposed, where the melted metal is substituted with normal liquids under certain similarity criterions. High-speed photography will be employed to capture the images of the evolving flow and quantitative information of the jet and ejecta will be collected through digital image processing. The first objective of the study is to find the dominant similarity parameters and to establish appropriate analogous experimental models by matching the results of normal liquid with those of melted metal in realistic macro experiments and micro simulations. Under proper analogous constrain，systematical experimental investigations on the liquid jetting process and the R-M instability of liquid-gas interface will then be proceeded with. The influence of test conditions on the jetting characteristics is to be inspected and summarized. The last objective of the study is to explore the detailed evolving features of the jetting flow as well as the mechanisms behind them with the help of liquid-gas two-phase numerical simulation, based on which we also look forward to model the liquid jetting problem. In summary, this project aims at refining the academic recognitions on the structure and the nature of micro metal jet by investigating the similarity criterions and the visualized flow, while serving engineering practices by exploring the jetting dependency and modeling it.

基于一定的相似准则，以常规液体为对象，模拟研究冲击作用下熔化金属表面形成液态微喷射的现象和机理。实验主要以高速摄影方法捕捉液体喷射的流场图像，并由数字图像处理提取喷射数据。通过与熔化金属微喷射宏观数据和微观数值模拟结果的比对，提取主导相似参数，建立模拟金属微喷射合适的相似实验方案。在合适的相似实验方案下，对冲击诱导液体喷射和液-气界面R-M不稳定性开展系统的实验研究，揭示喷射特性随实验条件的变化规律。结合液-气两相流数值模拟，揭示液态微喷射的细节演变过程及其动力学机理，在此基础上寻求将熔化金属微喷射问题模型化。本项目力图通过相似准则研究和可视化模拟研究进一步细化关于冲击诱导金属微喷射结构和本质的学术认识，并通过相关规律和模型为工程实践提供参考。

强冲击作用下材料表面可发生熔融态的微喷射。由于喷射物尺度小且分布密集，熔融微喷射的发展演变及流动细节难以从实验上获得充分解析。本项目基于一定相似准则，利用常规液体模拟研究冲击作用下熔融金属表面形成液态微喷射的流体动力学现象和机理。研究以高速摄影的方法系统地获得了大量在不同尺度、不同冲击强度、不同液面形态（模拟材料表面和内部缺陷，主要包括浅凹自由表面、深凹陷表面、浸没气泡三类）条件下冲击诱导表面射流的图像。这些图像揭示了详尽的射流形态和演变过程。分析显示，全部液面形态均存在一个发生喷射的临界冲击强度，低于该强度则不产生射流；射流的速度随着冲击强度的增大而增大。在凹陷液面情况下，射流主要有两类不同的形态，当凹陷曲率较大时呈锥状，而当凹陷曲率趋于极小时则呈台状或环状。对于较深的液面凹陷，射流形成过程中可观察到两次加速，第一次为液柱在冲击作用下的整体加速，第二次由凹陷液面的动能聚焦效应引起。在射流突出液面后，惯性力占据主导，射流速度迅速趋于平稳。本研究发展了能够有效评估凹液面射流速度的一维理论模型，并由此得出在浅凹陷液面情况下关于射流速度的相似参数。以近液面浸没气泡模拟材料内部缺陷，研究发现，在受到冲击时，内部气泡从冲击源方向向液面方向坍缩并演变为气泡内部射流，该射流的运动速度与气泡初始深度无关。内部射流穿透气泡向上运动，当气泡与液面距离足够近且冲击强度足够大时，内部射流可抵达液面并突出液面形成液面射流。液面射流形态随气泡深度减小从不规则、不对称向规则、对称转变。冲击过后，气泡整体发生周期性振荡，振荡幅度与初始深度成正相关，振荡周期与初始气泡直径成正相关。本项目对单株理想液体喷射进行的系统的可视化实验研究和理论分析，为构建真实材料微喷射微观与宏观之间的连接提供了有力支撑。