液滴碰撞動(dòng)力學(xué)與層流預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)的研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)噴霧燃燒是多相、多尺度、強(qiáng)烈非線性的科學(xué)問(wèn)題，包含諸多液滴動(dòng)力學(xué)和火焰動(dòng)力學(xué)基本物理現(xiàn)象。從機(jī)理層面深入認(rèn)識(shí)這些基本物理現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的重要理論基礎(chǔ)。本課題針對(duì)液滴碰撞動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，并考慮到兩相流和預(yù)混火焰在流體本質(zhì)上的相似性，提出了適用于預(yù)混火焰模擬的擴(kuò)散界面方法。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，研究中僅考慮層流情況。
　　研究采用格子玻爾茲曼方法作為計(jì)算平臺(tái)，并首先對(duì)其廣泛應(yīng)用的偽勢(shì)類多相流模型進(jìn)行了評(píng)估分析。結(jié)果

2、表明，數(shù)值穩(wěn)定性和兩相共存密度均與松弛時(shí)間相關(guān)，且界面虛假速度處于較高水平。在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于相場(chǎng)方法的Lee多相流模型進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)采用多松弛時(shí)間碰撞算子并進(jìn)行柱坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)了高密度比和低流體粘性下軸對(duì)稱兩相流問(wèn)題的穩(wěn)定模擬。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型能夠定量地預(yù)測(cè)液滴變形、碰撞結(jié)果以及內(nèi)部混合特性。
　　基于改進(jìn)的多相流模型，開(kāi)展了牛頓流體液滴碰撞動(dòng)力學(xué)的模擬研究。結(jié)果表明，液滴碰撞過(guò)程中存在強(qiáng)烈的流場(chǎng)應(yīng)變，Weber數(shù)

3、（We）和直徑比是影響液滴變形及碰撞結(jié)果的決定參數(shù)。另一方面，Ohnesorge數(shù)（Oh）雖然僅對(duì)液滴變形和碰撞結(jié)果起定量調(diào)節(jié)作用，卻顯著影響液滴內(nèi)部混合特性，即混合與粘性耗散作用直接相關(guān)。在高Oh數(shù)下，小液滴聚集于大液滴一側(cè);適中Oh數(shù)下，小液滴鋪展于大液滴表面;低Oh數(shù)下，小液滴則穿入大液滴內(nèi)部，形成表面張力主導(dǎo)（We數(shù)趨于0）和慣性力主導(dǎo)（有限We數(shù)）的兩類射流。
　　認(rèn)識(shí)到液滴變形過(guò)程中存在強(qiáng)烈流場(chǎng)應(yīng)變以及粘性耗散對(duì)內(nèi)部混

4、合的決定性影響后，進(jìn)一步考慮了非牛頓流體（粘性與剪切率相關(guān)）的液滴碰撞。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低We數(shù)液滴融合，剪切變稀效應(yīng)顯著促進(jìn)液滴內(nèi)部第一類射流的產(chǎn)生，而小液滴對(duì)該過(guò)程起主導(dǎo)作用;對(duì)于有限We數(shù)的液滴碰撞，剪切變稀/變稠效應(yīng)分別促進(jìn)/抑制反射分離的發(fā)生，而液滴之間不同流變性造成的粘性耗散差異則可打破相同尺寸液滴碰撞的對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部混合的強(qiáng)化，這種強(qiáng)化效果也隨著流變性差異的增加而增強(qiáng)。上述結(jié)果在加深對(duì)于噴霧燃燒過(guò)程中液滴碰撞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)之外

5、，也對(duì)新一代凝膠自燃推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。具體而言，可通過(guò)打破液滴碰撞的尺寸對(duì)稱性（燃料/氧化劑分別采用不同尺寸的噴嘴）和流變性對(duì)稱性（燃料/氧化劑進(jìn)行不同程度的凝膠化）等手段來(lái)提高該類發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火穩(wěn)定性。
　　在液滴動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)上，意識(shí)到預(yù)混火焰與兩相流在流體本質(zhì)上高度相似，即二者均存在密度連續(xù)變化的界面，但在界面之外均為不可壓流動(dòng)?；谠撜J(rèn)識(shí)，提出了用于預(yù)混火焰模擬的擴(kuò)散界面方法，將火焰視為具有厚度的