液滴变形-袋式-多模式破碎转换研究

液滴破碎是影响内燃机燃烧的核心因素,其直接决定喷雾特性、蒸发速率以及混合气形成。为了揭示宽参数空间下液滴破碎模式之间的转换机理,本文采用简化耦合的多相流模型S-CLSVOF以及自适应网格加密技术对液滴在气流中的破碎过程进行了数值模拟研究。同时进一步将模拟结果与基于Rayleigh-Taylor失稳机理的理论模型进行比较并对其参数进行了修正。结合理论分析和数值模拟探讨了液滴破碎模式之间的转换。     

液滴冲击无限大液面过程的边界元模拟

液滴冲击液面现象在自然界和工农业生产中极其普遍,如雨滴冲击水体表面、喷淋冷却及高温液滴破碎等。本文采用理想小可压缩势流模型,利用边界元方法对液滴冲击同种液体的无限大液面现象做了数值模拟研究,同时考虑到了重力和表面张力的影响。本义所采用的边界元方程在计算过程中可以忽略其弱奇异性。     

非牛顿流体液滴袋状破碎的数值模拟研究

本文利用简化的水平集–流体体积耦合算法(S-CLSVOF)及自适应网格加密技术,对非牛顿流体液滴袋状破碎过程进行三维数值模拟。基于Herschel-Bulkley型非牛顿流体模型,计算分析了在不同韦伯数下液滴袋状破碎的形变程度、气液界面发展过程及曳力系数变化趋势。结果表明:在低奥内佐格数下的液滴袋状破碎过程中,非牛顿流体相较于牛顿流体在破碎后出现了较为明显的液丝。而随着韦伯数增大,非牛顿流体液滴在流向与径向上的形变程度加剧,曳力系数增大,气液界面变化显著。     

气溶胶抛撒过程中首次破碎液滴的尺寸分布

对气溶胶爆炸抛撒过程中,首次破碎液滴的尺寸分布进行理论和数值研究.基于热力学第二定律的最大熵增理论,建立首次破碎过程满足的方程组约束条件,给出破碎后液滴尺寸分布的确定方法,并对Air-blast喷管实验和Samirant相关实验进行数值模拟预测,与实验数据符合较好.     

激波诱导液滴变形和破碎现象实验研究

本文介绍了用于激波诱导液滴变形和破碎现象研究的实验系统及方法,详细分析了激波与液滴相互作用以及液滴加速、变形和破碎过程,为进一步研究激波诱导的液滴内流场性质及气液相间相互作用对液滴变形和破碎的影响机制提供了基础实验数据。     

中空液滴碰撞水平壁面数值分析

采用耦合水平集-体积分数法并综合考虑传热及接触热阻作用建立了中空液滴碰撞水平壁面数值模型,并验证了模型的可靠性.通过分析计算结果,获得了中空液滴与实心液滴撞壁的动力学特征差异,揭示了中空液滴撞壁流动传热机理和中心射流形成机制,探索了碰撞速度和壁面浸润性对中空液滴撞壁动力学和传热特性的影响.研究表明:中空液滴撞壁后中心射流特征明显,并伴随有射流收缩和液壳破碎等现象.中空液滴内部压力梯度是液滴铺展、中心射流产生和发展的主要原因;撞壁过程中中心射流表面温度分布较为均匀,破碎液壳表面温度分布波动较大.碰撞速度与中空液滴撞壁最大铺展系数的相关性较小,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较大;壁面浸润性与中空液滴撞壁后期铺展系数的相关性较大,但其对无量纲射流长度和壁面平均热流密度的影响较小.     

基于大密度差多相流SPH方法的二维液滴碰撞数值模拟

该文结合了Ott提出的修正连续性方程和Adami改进的动量方程, 对空气中的液滴碰撞问题进行了二维数值模拟. 为有效提高计算精度, 推导了适用于大密度差多相流的人工黏性和人工应力方程. 通过表面张力作用下方形液滴自然变化和空气中两液滴互溶的算例, 验证了算法的有效性; 对不同韦伯数 (8.8, 19.8)、不同碰撞参数 (0, 0.5)下的液滴碰撞过程进行了数值模拟, 并与VOF方法对比,取得了较为一致的结果; 进一步计算多个韦伯数、多个碰撞参数下的液滴碰撞, 得到了空气中二维液滴碰撞结果分布图,与实验结果相符合. 结果表明, 该算法对于求解涉及大密度差多相流的液滴碰撞破碎问题十分有效,而且该方法容易拓展到三维, 从而为进一步模拟火箭发动机的二次雾化过程奠定了基础. 关键词： 光滑粒子流体动力学 大密度差 多相流 液滴碰撞     

高温气流中液滴蒸发的表面张力效应

针对高温气流中燃料液滴的受热蒸发过程,以正十二烷液滴为例,建立了考虑液滴受热膨胀、表面张力及气流热物性变化的分析模型。采用移动网格法,并通过温度插值减小网格移动产生的偏差,编制了计算程序。在与文献结果对比验证的基础上,数值模拟了高温对流环境中的液滴蒸发过程;探讨了高温气流加热条件下,液滴表面张力变化对液滴蒸发的影响。结果表明,是否考虑液滴表面张力及其随温度变化,对液滴内压和蒸发过程的影响不大。     

多孔介质燃烧室内湍流气液两相流的数值研究

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.建立了多孔介质随机结构的简化模型,把多孔介质视为随机分布的大量固相单元的集合.在多孔介质区域引入了Antohe和Lage提出的双方程κ-ε湍流模型.为研究喷雾液滴与多孔介质的高温壁面碰撞,引入新的喷雾模型.在模型中考虑了液滴的破碎、碰撞和合并,并且描述了喷雾和多孔介质壁面之间的相互作用.针对燃油喷雾在不同结构多孔介质内流场进行了数值计算.计算表明,喷雾与多孔介质相互作用对燃烧室内燃油液滴的蒸发、混合气的形成过程和均匀化具有重要的影响.     

高温熔融液滴的破碎特性研究

本文采用高速摄影和数字图像处理技术对高温熔融液滴与冷却水作用时的破碎现象进行了研究,用图像技术对高速摄影(1000 fps,512×512象素)照片进行处理,识别液滴破碎后所形成的碎片,并统计出碎片的数目及尺寸分布;还对液滴温度、冲击速度、水温等因素对液滴破碎过程的影响进行了实验研究和分析。研究结果表明,随着实验条件的改变,液滴破碎后的碎片有三种典型形态,冷却水温度对碎片形态有重要影响;碎片的当量直径符合累积高斯分布,分布曲线可用Sigmoid函数表示;冷却水温度越高,冲击高度越大,液滴温度越高,液滴的破碎过程进行得越彻底。     

剪切流动条件下液滴变形和断裂的数值模拟

本文采用扩散界面法研究了剪切流动条件下悬浮液滴变形和断裂的动力学机制。控制方程采用考虑表面张力影响的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard方程描述。计算网格采用均匀矩形交错网格。采用基于压力增量的近似投影法计算 Navier-Stokes方程,采用完全近似多重网格法计算Cahn-Hilliard方程。稳态液滴变形规律及液滴拉伸断裂过程的计算结果与试验结果符合较好,表明本文模型能够很好的研究液滴变形及断裂机理。     

液滴超声速气动破碎初期界面不稳定性

针对液滴破碎问题,获得并揭示两相界面演化特征机理.采用数值模拟方法,观察了超声速条件下的液滴气动破碎初期的界面不稳定性.基于数值模拟结果和线性稳定性理论,综合分析表明,Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性均对源于驻点和外环之间中段附近处的主导扰动产生作用.保持其他流动特性不变,降低K-H不稳定性的影响,对数值模拟进行了专门改进,进一步验证了前述结论.      

SPH simulation of fuel drop impact on heated surfaces

The interaction of liquid drops and heated surfaces is of great importance in many applications. This paper describes a numerical method, based on smoothed particle hydrodynamics (SPH), for simulating n-heptane drop impact on a heated surface. The SPH method uses numerical Lagrangian particles, which obey the laws of fluid dynamics, to describe the fluid flows. By incorporating the Peng–Robinson equation of state, the present SPH method can directly simulate both the liquid and vapor phases and the phase change process between them. The numerical method was validated by two experiments on drop impact on heated surfaces at low impact velocities. The numerical method was then used to predict drop-wall interactions at various temperatures and velocities. The model was able to predict the different outcomes, such as rebound, spread, splash, breakup, and the Leidenfrost phenomenon, consistent with the physical understanding.     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

翅片管气化器管内相变传热流动数值模拟

采用Fluent多相流混合物模型,通过用户自定义程序(UDF)实现了液氮相变模拟,模拟了不同进口流速对翅片管气化器管内流体换热量、压力降、含气率及汽化体积的影响,并分析了各参数随进口流速改变而变化的原因。由数值模拟可知,翅片管内流体进出口焓差、含气率及单位质量汽化体积随进口流速的增加而减少,而压力降和总换热量随进口流速的增加而增大,其中压力降增大的主要原因是由加速压降引起。     

气泡在自由液面破碎后的射流断裂现象研究

在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响. 关键词： 气泡 自由液面 破碎 断裂     

液体横向射流在气膜作用下的破碎过程

为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程,采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究,模拟介质为水和空气.研究结果表明,液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程:柱状破碎和表面破碎.Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因,气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎,破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布.Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因,液丝和液滴从射流表面剥离.局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响,当局部动量比较低时,液体射流的破碎由K-H不稳定性主导;随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导.液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.     

Modeling Three-Dimensional Multiphase Flow Using a Level Contour Reconstruction Method for Front Tracking without Connectivity

Three-dimensional multiphase flow and flow with phase change are simulated using a simplified method of tracking and reconstructing the phase interface. The new level contour reconstruction technique presented here enables front tracking methods to naturally, automatically, and robustly model the merging and breakup of interfaces in three-dimensional flows. The method is designed so that the phase surface is treated as a collection of physically linked but not logically connected surface elements. Eliminating the need to bookkeep logical connections between neighboring surface elements greatly simplifies the Lagrangian tracking of interfaces, particularly for 3D flows exhibiting topology change. The motivation for this new method is the modeling of complex three-dimensional boiling flows where repeated merging and breakup are inherent features of the interface dynamics. Results of 3D film boiling simulations with multiple interacting bubbles are presented. The capabilities of the new interface reconstruction method are also tested in a variety of two-phase flows without phase change. Three-dimensional simulations of bubble merging and droplet collision, coalescence, and breakup demonstrate the new method's ability to easily handle topology change by film rupture or filamentary breakup. Validation tests are conducted for drop oscillation and bubble rise. The susceptibility of the numerical method to parasitic currents is also thoroughly assessed.