重力場與微重力場下不可壓縮氣液兩相流研究.pdf

1、氣液兩相流是一種典型的多相流,屬于工業(yè)過程中極其重要的一類問題。如微管道、微電機(jī)械系統(tǒng)等設(shè)備中存在著大量包含液滴變形與破碎的氣液兩相流問題,而裝置內(nèi)液滴的運(yùn)動(dòng)行為對(duì)于設(shè)備的性能具有重要影響。因此,為了更好地操作與控制這些設(shè)備,有必要對(duì)液滴的流變、表面和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行深入的研究。
　　 具有自由表面的氣液兩相流問題的一個(gè)重要特征是氣液兩相間存在著隨時(shí)間變化的界面。在這類問題的數(shù)值模擬中最核心的問題就是界面的精確描述。近年來,對(duì)氣液

2、兩相間自由界面的追蹤與模擬問題的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外熱門研究課題之一。國內(nèi)外對(duì)于液滴的流動(dòng)問題雖然已進(jìn)行了大量研究,但均集中于對(duì)重力場下等溫液滴的動(dòng)力學(xué)研究。國內(nèi)外對(duì)于微重力場中液滴的熱毛細(xì)遷移的研究也均未考慮重力顫動(dòng)的影響。
　　 本研究建立了一種適用于氣液兩相流問題的數(shù)值模型與計(jì)算方法及計(jì)算程序,研究了重力場中等溫與非等溫液滴變形的力學(xué)特征,同時(shí)考慮重力顫動(dòng)的影響效果研究了微重力場中液滴的熱毛細(xì)遷移現(xiàn)象。在交錯(cuò)網(wǎng)格上耦合求解N

3、avier-Stokes方程與能量守恒方程,采用Level Set法跟蹤與模擬氣液界面的運(yùn)動(dòng)與變形,并對(duì)Level Set函數(shù)的再初期化、質(zhì)量守恒等問題進(jìn)行了較深入的研究。在對(duì)計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算域獨(dú)立性及計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,討論了重力場中不同密度比、粘度比、Reynolds數(shù)、Weber數(shù)以及Rayleigh數(shù)對(duì)液滴變形、運(yùn)動(dòng)和溫度分布等的影響；在微重力場中,分析了不同密度比、粘度比、Marangoni數(shù)和Capillary數(shù)對(duì)液滴變

4、形、運(yùn)動(dòng)和溫度場的影響。
　　 研究結(jié)果表明:(1)通過質(zhì)量補(bǔ)償改進(jìn),大大改善了Level Set法的質(zhì)量守恒性,質(zhì)量損失率小于0.012％；(2)重力場下密度比主要影響液滴下落速度,粘度比主要影響溫度場分布,Re數(shù)主要影響速度場,We數(shù)主要影響液滴形狀；(3)微重力場中密度比越大對(duì)流愈強(qiáng),且液滴速度有明顯的波動(dòng),粘度比越大速度梯度越大。當(dāng)自由表面與溫度梯度垂直時(shí)Marangoni數(shù)越大液滴運(yùn)動(dòng)越快,而自由表面與溫度梯度平行時(shí)M