液滴碰撞对液膜内汽泡运动与换热影响

采用数值模拟的方法,研究了沸腾雾化喷射过程中热壁面薄液膜层受到液滴碰撞扰动时液膜层内汽泡运动,相界面变化和由此引起的壁面换热特性.模拟结果显示汽泡生长初期相界面变化与液膜层内二次核化特征与文献结果吻合良好,汽泡生长后期相界面变化存在滞后.讨论了液滴下降速度.液滴直径与初始位置,多液滴碰撞对液膜层内流动与壁面换热的影响.     

层流气体雾化制粉工艺粉末形貌及雾化机理

层流气体雾化制备的金属粉末具有粒径较小且粒度分布窄的优点,目前对层流气体雾化的研究主要集中在工艺参数对雾化效果和粉末特性的影响,其雾化机理仍不完全清楚.本文通过数值模拟和实验分析,系统地研究了层流气体雾化过程中的雾化气体流场、一次雾化和二次雾化机理以及最终的粉末颗粒形态.采用标准k-e湍流模型,研究了基于De Laval喷嘴的层流雾化单相气体流场,流场呈"项链"状结构,并伴有斜激波的膨胀波团.采用耦合水平集-体积分数法研究了一次雾化和二次雾化机理,并通过雾化实验得到了凝固碎片和粉末,验证了该模型的有效性,数值模拟结果也为层流气雾化制粉技术的实际应用和具体工艺提供了重要参考.研究表明,液柱周围的熔体主要以细丝或韧带的形式剥离,这显示出了增压低维度雾化的特点.二次雾化过程中球形液滴主要基于Rayleigh-Taylor不稳定变形和Sheet-Thinning破碎模式分解破碎,丝状熔体则主要以曲张波表面发生扰动从而引起波谷处破裂的方式进行破碎.     

静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

低温液氧箱体自由界面晃动动态响应

采用计算流体力学(CFD)技术数值研究低温液氧贮箱在外部晃动激励下箱内气液界面动态响应。计算中详细考虑了外部漏热以及气液相间相变对箱体热力耦合过程的影响,通过用户自定义程序将外部正弦激励加载到低温贮箱壁面作为动量边界,采用流体体积(VOF)方法精确捕捉晃动过程气液界面波动变化。通过与相关晃动实验结果对比,验证了本文所构建数值模型的有效性。基于所构建数值模型,对流体晃动进行数值模拟,获得了外部正弦激励下,箱体内部气液相分布以及界面形状变化;通过设置动态监测点,分析了气液界面晃动动态响应。结果表明,流体晃动对低温贮箱内部气液界面动态响应具有较大影响。为抑制流体大幅波动,需采取合适的防晃措施。     

液体物性对雾化射流液雾粒径的影响

对不同液体在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.建立了一次雾化的一维模型,分析了粘度、表面张力和气液质量流量比对液雾粒径的影响趋势,采用基于粒子追踪法的二次雾化三维模型,分析了物性和各种工况对液雾粒径沿轴向分布的影响程度.计算结果和已公开发表的实验数据进行比对,得到了较好的吻合,在此基础上,分析了影响气泡雾化喷嘴雾化质量的主要因素.     

二次谐波线二向色性方法研究气液界面手性的理论分析与实验

二次谐波线二向色性方法是定量研究气液界面手性的重要光学方法,此方法得到的手性响应既可能来源于界面超分子的电偶极矩的贡献,也可能是电偶极矩和磁偶极矩的共同贡献。分清这两种贡献,是研究界面超分子手性形成机理的前提条件。对两种情况下S偏振的二次谐波强度的偏振公式进行了对比分析和数值模拟,总结了各自的偏振曲线的线型特点,进一步分析了电偶极矩和磁偶极矩的二阶非线性极化率张量分量对手性响应的影响。推导了两种情况下表征界面手性的物理量——手性过量的表达式,分析了电偶极矩和磁偶极矩对手性过量的影响。通过卟啉气液界面手性的实验检测结果,验证了理论分析的正确性,该模拟对实验数据分析有重要意义。     

激波冲击作用下液膜破碎的气液两相流

为了研究激波冲击作用下液膜的破碎过程,采用计算流体力学方法对其气液两相流过程进行了三维数值模拟,获得了激波的波系结构演变过程与液膜的变形、破碎、雾化特性,并与实验结果进行了对比.结果表明:激波与液膜作用过程中存在入射、反射与透射现象,透射激波强度与液体表面张力对液膜破碎过程有重要影响;液膜在破碎过程中形成的雾化云团体积在前2.5 ms内迅速增长,之后云团体积基本稳定;在射流的作用下,雾化云团内部形成不断扩张的三维空腔结构.     

三维多孔吸液芯毛细特性孔隙尺度格子Boltzmann模拟

通过改进后的QSGS方法构造了三维复杂多孔吸液芯结构,采用格子Boltzmann方法和GPU并行算法,数值模拟了孔隙尺度下多孔吸液芯毛细抽吸两相传输动态特性,并探讨了表面润湿性和孔隙率对两相界面分布和毛细性能的影响.研究结果表明,对于三维复杂结构多孔吸液芯,毛细抽吸过程中两相界面不规则性、分布不均匀性程度较大,孔尺度效...     

极端条件两相界面流与反应流机理、模型与算法研究进展

清华大学喷雾燃烧与推进实验室长期专注于极高速、强可压和高瞬变等极端条件下的两相流和反应流前沿科学问题,并致力于应用基础研究成果解决航空航天动力与推进系统的关键技术难题。综述了实验室近些年在极端条件下两相流动和含化学反应流动物理机理、数理模型与数值算法等方面的研究进展。首先,介绍了实验室发展的耦合高瞬变相变过程的强可压缩气液两相界面流的数理模型和高精度数值方法,以及针对激波受气液(曲)界面约束情况下,描述非定常激波透射/反射(如波角、波强等物理量关系)的激波动力学分析方法。其次,基于上述模型、算法与分析方法,实验室研究了激波液滴相互作用、高速液滴撞击壁面等一系列问题,解析了上述高瞬变过程中复杂波系与界面的时空演化过程。以被激波或壁面冲击的液滴内流体空化初生为例,揭示了曲界面汇聚膨胀波诱导流体空化的机理,推导了预测空化初生位置的理论公式。最后,介绍了面向发动机燃烧室内的强可压缩两相喷雾反应流动,实验室开发了基于Euler-Lagrange框架的高性能数值仿真软件TURFsim,并成功用于真实复杂几何结构的航空发动机燃烧室和超声速燃烧室的数值模拟。以典型的超声速混合层流动数值模拟为例,总结了...     

湍动雾化射流液雾粒径分布的数值模拟

对水在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.其中,气体流场采用k-ε湍流模型进行模拟,给出了载气轴向速度的分布情况.对喷雾粒子的运动采用颗粒轨道法,建立粒子破碎和碰撞的数值模型,研究了液雾粒径在不同工况下沿轴向的变化趋势.数值模拟结果与实验结果在多种气液比下进行了比较,两者吻合较好.同时,分析了初始粒径和粒子总数及喷嘴尺寸对液雾粒径变化趋势的影响,讨论了有助于粒径均匀分布的条件.     

基于几何重建的气液两相流孔隙尺度模拟

本文基于二维micro CT扫描图像进行数值重构得到三维多孔介质几何模型,采用Shan-Chen多相格子Boltzmann方法(LBM)建立适用不规则几何边界区域内气液两相流动数值模型,在此基础上对复杂多孔介质内的两相流动过程进行孔隙尺度模拟。结果表明,气-液两相流动受限于多孔介质的复杂孔隙结构,气液表面张力、壁面润湿特性以及进出口压差对两相流动特性将产生明显影响。     

ρ-VOF:一种可清晰模拟自由界面的两相流方法

文章通过对EFM(effective field modeling)模型进行简化, 消除了原模型的非守恒性项和非双曲性特性项, 发展了一种基于密度的气液两相流模拟方法: ρ-VOF方法.利用体积分数信息对控制单元内的自由界面进行重构, 得到了控制单元内流体的空间分布, 并采用AUSM+-up格式获得考虑气液流体接触间断信息的对流通量.新方法可统一处理激波间断和接触间断的相互作用, 保持自由界面的尖锐性, 并且其计算量与自由界面的空间复杂度无关.最后, 数值模拟了液体激波管气液激波管和气体激波跨二维液滴传播等问题, 并与文献结果进行对比, 验证了本方法在气液两相流模拟中的准确性.      

基于格子Boltzmann方法的二维气泡群熟化过程模拟

Ostwald熟化(ripening)是指局部热力学平衡状态下,颗粒/液滴/气泡系统为了减小界面能而自发地进行颗粒群尺度分布调整的过程,具有重要研究价值.针对目前数值模拟研究不充分的现状,本文采用格子Boltzmann方法,对相变速率主控的二维蒸气泡系统演化开展了数值模拟研究.模拟结果与本文推导的二维气泡群演化标度律符合较好,证实了格子Boltzmann方法对复杂相变-物质输运过程捕捉的准确性.研究同时表明,蒸气泡系统演化过程中物质输运为液相压力不平衡所驱动,并且在小气泡“溃灭”过程中水动力学作用会影响气泡群半径分布函数的局部细节;气-液状态方程参数对熟化过程的影响效果分析显示,气液两相比内能差是驱动相变的核心要素,此差异越大相变速率越快,该结论进一步诠释了化学势驱动熟化过程的物理图像.     

双路离心式喷嘴的实验与数值模拟

通过实验与数值模拟方法开展了双路离心式喷嘴的研究。实验测量了喷嘴主、副油路在不同压力下的雾化锥角与流量特性,拍摄了喷嘴在典型工况下的喷雾场照片。数值模拟采用VOF(Volume-of-Fluid)两相流模型来模拟喷嘴内气液两相流流动,较好地模拟出喷嘴内的空气涡与喷雾锥角,所得到喷雾锥角与实验结果吻合较好。通过实验与数值模拟相结合的方法验证了双路离心式喷嘴的雾化性能,从而为双路离心喷嘴的设计和性能预测提供了理论基础。     

电极感应熔化气雾化制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程模拟

电极感应熔化气雾化(electrode induction melting gas atomization, EIGA)是一种制备超洁净无夹杂物的先进制粉技术,本文以粉末高温合金的氩气雾化过程为研究示例,对现有用于实际生产的国内某厂家提供的EIGA用非限制式喷嘴进行建模,采用商用计算流体力学软件FLUENT,分布采用欧拉-欧拉VOF(volume of fluid)多相流方法与欧拉-拉格朗日DPM (discrete phase model)离散相方法,对非限制式环缝喷嘴主雾化与二次雾化过程进行了数值模拟.通过对主雾化过程中多相流大涡模拟速度流场,主雾化过程中不同阶段高温熔体云图模拟以及二次雾化过程中TAB (Taylor analogy breakup)模型速度流场及TAB模型粒度分布的模拟研究,实现了对EIGA制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程的全过程模拟,并预测了雾化后的粉末粒度分布.在此基础上,采用本文模拟使用的非限制式环缝喷嘴,设定与模拟条件一致(进气压力4 MPa,液流直径约4 mm)的实验条件,制备的粉末大部分颗粒的直径大小在100μm左右,该实验结果与模拟得到的粉末直径D50=100μm大小一致,进一步验证了模拟数据的合理性.该方法也适用于非限制式喷嘴里,其他金属或合金的雾化过的模拟研究.     

一种模拟液体雾化的守恒型Level Set方法

本文发展了一种追踪气液界面的守恒型Level Set(LS)方法。针对LS方法本身质量不守恒的缺陷,本文提出了基于局部曲率的质量弥补修正措施,提高了LS方法的质量守恒性。本文采用Zalesak's disk和二维变形速度场两个验证性算例验证了该方法的准确性。该方法为以后详细研究雾化机理奠定了坚实的基础。     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

二次脉冲气动喷雾系统的设计与实验研究

基于多相爆炸装置液雾燃爆的实验要求,设计了一套二次脉冲气动雾化系统,以水为液体介质对其喷雾过程进行了实验研究。通过数字图像处理技术和激光多普勒法对气液输送管段的流型结构,喷雾室内的气液掺混过程、喷雾张角、索特平均直径D32及尺寸分布进行了实验测定,得到了高压气室压力0.8~3.3 MPa、储液室液体50~500mL、电磁阀开启时长450ms条件下,气液输送管段呈现环状液膜流型为主,气液掺混过程为二次脉冲气动雾化,雾化张角在138°~170°之间,500ms时刻液滴的索特平均直径为61μm。     

激波与SF_6梯形气柱相互作用的数值模拟

基于大涡模拟,结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF_6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟,数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程,详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程,并研究了该过程中所产生的复杂波系结构,对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析;通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析。     

气液爆轰波及冲击波传播的数值研究

采用高分辨率TVD格式、MacCormack格式和二维轴对称气液两相方程组数值模拟了气液爆轰的发展过程及冲击波衰减规律,计算结果与国内外研究结果符合良好。