液體旋流霧化的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、液體燃料的霧化過(guò)程是一個(gè)多相、多尺度的物理過(guò)程，存在著湍流、界面運(yùn)動(dòng)等諸多復(fù)雜物理場(chǎng)的相互作用，本文基于高精度直接數(shù)值模擬理論，發(fā)展了適合大規(guī)模并行計(jì)算的氣液兩相流動(dòng)的直接數(shù)值模擬方法和計(jì)算平臺(tái)，分別對(duì)變形液滴的非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)、湍流中液滴的破碎以及霧化模型、旋轉(zhuǎn)射流霧化進(jìn)行了研究，以揭示液體射流的霧化機(jī)理以及湍流/界面相互作用的基本規(guī)律。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了一種守恒型的界面追蹤方法，使之適用于大規(guī)模霧化的直接數(shù)值模擬

2、研究中。氣液兩相流的直接數(shù)值模擬存在諸多困難，例如長(zhǎng)度尺度和時(shí)間尺度可以變化數(shù)個(gè)量級(jí)、氣液相界面的高精度追蹤、界面處存在物性參數(shù)的不連續(xù)性、表面張力的奇異性、湍流與一次霧化的相互作用、相界面頻繁發(fā)生拓?fù)渥兓?。針?duì)這些困難，本文在原有計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一套質(zhì)量守恒型的界面追蹤方法（Level Set方法）來(lái)模擬氣液兩相流。傳統(tǒng)的Level Set方法由于輸運(yùn)方程的離散以及重新初始化過(guò)程而存在質(zhì)量不守恒的缺陷，針對(duì)該缺陷，提出了基于

3、界面局部曲率修正質(zhì)量損失的守恒型 Level Set方法。該方法主要通過(guò)三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，從Level Set標(biāo)量場(chǎng)得到網(wǎng)格中液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)量場(chǎng)、根據(jù)界面曲率修正得到守恒的液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根據(jù)液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到Level Set標(biāo)量場(chǎng)。通過(guò)Zalesak’s disk,二維變形速度場(chǎng)和三維變形速度場(chǎng)等驗(yàn)證性算例驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，其后將其應(yīng)用于雙液滴碰撞、液滴撞擊液膜和旋流霧化的算例，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果吻合，從而表明利用發(fā)展的界面追蹤算法可以對(duì)旋

4、流霧化進(jìn)行大規(guī)模的直接數(shù)值模擬研究。⑵對(duì)液滴的變形進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，以研究變形液滴的曳力系數(shù)變化規(guī)律。我們采用了與旋流霧化工況條件下相一致的密度比和粘度比，在大范圍的韋伯?dāng)?shù)和雷諾數(shù)區(qū)間，對(duì)非穩(wěn)態(tài)的曳力系數(shù)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，液滴的運(yùn)動(dòng)形式類似于水母的運(yùn)動(dòng)方式，液滴前緣的渦結(jié)構(gòu)由最初的對(duì)稱分布逐漸發(fā)展為非對(duì)稱分布，呈現(xiàn)卡門(mén)渦街的類似結(jié)構(gòu)。液滴受到的曳力系數(shù)可以表示為雷諾數(shù)和非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)的函數(shù)關(guān)系（其中非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)包括了密度比），而本文考慮到

5、液滴變形和內(nèi)部環(huán)流的影響，可以總結(jié)為液滴受到的曳力系數(shù)為雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)、粘度比和非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)的函數(shù)關(guān)系，其中，韋伯?dāng)?shù)表征液滴變形程度，粘度比表征液滴內(nèi)部環(huán)流的強(qiáng)弱。研究結(jié)果表明在該減速相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)總是大于穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)。研究結(jié)果表明非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)（包含密度比）對(duì)非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)產(chǎn)生最重要的影響，韋伯?dāng)?shù)次之，由于較小的Ohnesorge數(shù)，粘度比對(duì)非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)影響較小。最后，我們得出在較小（韋伯?dāng)?shù)小于5）液滴變形條件下，穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)和非

6、穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)之差與非穩(wěn)態(tài)系數(shù)呈線性相關(guān)，其中非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)的液滴直徑可以改進(jìn)為韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式。而對(duì)于較大韋伯?dāng)?shù)（不超過(guò)破碎極限），這樣的線性相關(guān)性不成立。⑶對(duì)均勻各向同性湍流中液滴的破碎進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，以研究湍流/界面的相互作用規(guī)律以及ELSA霧化模型的評(píng)估與改進(jìn)。通過(guò)在動(dòng)量方程右端加入力源項(xiàng)，并且時(shí)刻求解兩個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能的方程，從而獲得湍動(dòng)能保持不變的強(qiáng)制均勻各向同性湍流。研究結(jié)果表明，高韋伯?dāng)?shù)導(dǎo)致液滴更易破碎為更小的液滴，液滴分布近似于

7、對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)湍流渦結(jié)構(gòu)的分析表明，液滴內(nèi)部由于受到表面張力的影響，局部的應(yīng)變產(chǎn)生受到抑制。分析湍流結(jié)構(gòu)和界面的相互作用表明，運(yùn)動(dòng)的界面產(chǎn)生平行于界面的湍流渦結(jié)構(gòu)。界面與渦量場(chǎng)存在強(qiáng)相關(guān)性，而非速度場(chǎng)。在不同Weber數(shù)下，氣相區(qū)域的平均擬渦能大小隨時(shí)間而增加，然而液相區(qū)域的平均擬渦能大小隨時(shí)間而減小。在變形初期，渦結(jié)構(gòu)呈平行于界面的狀態(tài)，然而在發(fā)展后期，這種正交性逐漸減弱，隨著韋伯?dāng)?shù)的增加，這種正交性減弱的趨勢(shì)更加明顯。這是由于在較

8、大韋伯?dāng)?shù)的情況下，表面張力極大程度的阻礙了由于湍流應(yīng)變運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的界面變形。在湍流破碎的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，我們又考慮了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部密度比和粘度比的范圍，進(jìn)而展開(kāi)對(duì)改進(jìn)“歐拉-拉格朗日霧化模型（ELSA）”的研究。在該模型中，我們改進(jìn)了平衡韋伯?dāng)?shù)的定義，并對(duì)湍流源項(xiàng)的二次形式進(jìn)行了驗(yàn)證。⑷對(duì)旋轉(zhuǎn)射流霧化進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，以研究旋轉(zhuǎn)射流中液膜的形成、液橋的形成、液滴形成的機(jī)理以及湍流對(duì)霧化的影響。研究結(jié)果表明， Rayleigh-Taylor

9、不穩(wěn)定性是主導(dǎo)液膜一次破碎的原因。湍流入口增強(qiáng)了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了液滴的徑向彌散和與空氣的混合。湍流入口可以導(dǎo)致液膜快速破碎，減弱液膜的剛性，并且導(dǎo)致徑向小尺度液體結(jié)構(gòu)的均勻分布。與單相射流相比，兩相射流下游區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的湍流特性，這也增強(qiáng)了液滴和周圍空氣的混合程度。在兩相射流中并未出現(xiàn)旋進(jìn)渦核（PVC）。此外，對(duì)于湍流入口條件下，回流區(qū)更小并且更加遠(yuǎn)離噴口。對(duì)于渦矢量和中間應(yīng)變率的關(guān)聯(lián)性研究表明，在回流區(qū)呈現(xiàn)出均勻各向同性的特性