液滴撞擊加熱固體平壁變形過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、自由表面流動(dòng)問(wèn)題普遍存在于化工、冶金、航空航天、材料科學(xué)等領(lǐng)域中，其過(guò)程中自由表面的位置隨著液體的運(yùn)動(dòng)而變化，而且自由界面的運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的行為具有重要的影響。這些問(wèn)題所固有的非線性變化加上在加熱平壁上撞擊過(guò)程中發(fā)生的相變使得問(wèn)題處理起來(lái)非常困難，因此也成為流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域非常關(guān)注的問(wèn)題。 計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT中有三種通用的多相流計(jì)算模型：VOF模型、混合模型和歐拉模型。液滴等溫撞擊模型涉及液滴和空氣兩種流體，二者沒(méi)有發(fā)生傳質(zhì)

2、，且要求對(duì)液滴自由表面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行重點(diǎn)考查，VOF模型是最合適的計(jì)算模型。Hirt和Nichols提出的VOF(volume of Fluid Method)方法，其基本思想是在整個(gè)流場(chǎng)中定義一個(gè)滿足對(duì)流方程的流體體積函數(shù)。空單元時(shí)值為0；滿單元時(shí)值為1；單元為界面單元時(shí)值介于0到1之間。 對(duì)于液滴撞擊等溫水平壁面的情況，建立了理論模型，把液滴流動(dòng)變形假設(shè)為軸對(duì)稱，應(yīng)用FLUENT軟件中的VOF模型，對(duì)整個(gè)撞擊后的變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值

3、模擬。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證其正確性。通過(guò)變換相關(guān)參數(shù)，分析了液滴在壁面上的流動(dòng)狀態(tài)，詳細(xì)研究了包括計(jì)算網(wǎng)格、壁面特性、撞擊速度、液滴的粘度、直徑以及液滴的表面張力對(duì)變形過(guò)程的影響。對(duì)于液滴撞擊加熱水平壁面的情況，通過(guò)建立物理與數(shù)學(xué)模型，分析研究了壁面溫度、液滴與環(huán)境溫度、液滴撞擊速度及直徑大小對(duì)換熱及蒸發(fā)過(guò)程的影響。 結(jié)果表明：通過(guò)比較液滴撞擊等溫水平壁面的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡管有誤差存在，但VOF數(shù)值模擬方

4、法，能夠表現(xiàn)液滴鋪展、回縮和反彈過(guò)程中的關(guān)鍵特征。壁面的可濕潤(rùn)性即壁面接觸角對(duì)液滴的流動(dòng)狀態(tài)有很大的影響。在液滴的鋪展階段，壁面接觸角越大，液滴的最大鋪展直徑越小，換熱量小，液滴蒸發(fā)速率越??；撞擊速度越大，液滴的鋪展直徑越大，鋪展速度越快，換熱量大，液滴蒸發(fā)速率越大；液滴的直徑越大，鋪展直徑越大，變形過(guò)程越緩慢，換熱量大，但液滴蒸發(fā)速率越小。在其他條件不變的情況下，液滴的表面張力系數(shù)越大，鋪展直徑的變化范圍越小，鋪展和回縮的時(shí)間也越短。