液體旋流霧化的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、液體燃料的霧化過程是一個多相、多尺度的物理過程，存在著湍流、界面運動等諸多復雜物理場的相互作用，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)模并行計算的氣液兩相流動的直接數(shù)值模擬方法和計算平臺，分別對變形液滴的非穩(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)射流霧化進行了研究，以揭示液體射流的霧化機理以及湍流/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，例如長度尺度和時間尺度可以變化數(shù)個量級、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)生拓撲變化等。針對這些困難，本文在原有計算平臺的基礎(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）來模擬氣液兩相流。傳統(tǒng)的Level Set方法由于輸運方程的離散以及重新初始化過程而存在質(zhì)量不守恒的缺陷，針對該缺陷，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。該方法主要通過三個步驟實現(xiàn)，從Level Set標量場得到網(wǎng)格中液體質(zhì)量分數(shù)標量場、根據(jù)界面曲率修正得到守恒的液體質(zhì)量分數(shù)、根據(jù)液體質(zhì)量分數(shù)得到Level Set標量場。通過Zalesak’s disk,二維變形速度場和三維變形速度場等驗證性算例驗證了該方法的準確性，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，與實驗數(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旋

4、流霧化進行大規(guī)模的直接數(shù)值模擬研究。⑵對液滴的變形進行了直接數(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，在大范圍的韋伯數(shù)和雷諾數(shù)區(qū)間，對非穩(wěn)態(tài)的曳力系數(shù)進行研究。研究結(jié)果表明，液滴的運動形式類似于水母的運動方式，液滴前緣的渦結(jié)構(gòu)由最初的對稱分布逐漸發(fā)展為非對稱分布，呈現(xiàn)卡門渦街的類似結(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)項的函數(shù)關(guān)系（其中非穩(wěn)態(tài)項包括了密度比），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)、韋伯數(shù)、粘度比和非穩(wěn)態(tài)項的函數(shù)關(guān)系，其中，韋伯數(shù)表征液滴變形程度，粘度比表征液滴內(nèi)部環(huán)流的強弱。研究結(jié)果表明在該減速相對運動中，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（包含密度比）對非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)產(chǎn)生最重要的影響，韋伯數(shù)次之，由于較小的Ohnesorge數(shù)，粘度比對非穩(wěn)態(tài)曳力系數(shù)影響較小。最后，我們得出在較?。f伯數(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)項的液滴直徑可以改進為韋伯數(shù)的關(guān)系式。而對于較大韋伯數(shù)（不超過破碎極限），這樣的線性相關(guān)性不成立。⑶對均勻各向同性湍流中液滴的破碎進行了直接數(shù)值模擬，以研究湍流/界面的相互作用規(guī)律以及ELSA霧化模型的評估與改進。通過在動量方程右端加入力源項，并且時刻求解兩個關(guān)于湍動能的方程，從而獲得湍動能保持不變的強制均勻各向同性湍流。研究結(jié)果表明，高韋伯數(shù)導致液滴更易破碎為更小的液滴，液滴分布近似于

7、對數(shù)正態(tài)分布。對湍流渦結(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，運動的界面產(chǎn)生平行于界面的湍流渦結(jié)構(gòu)。界面與渦量場存在強相關(guān)性，而非速度場。在不同Weber數(shù)下，氣相區(qū)域的平均擬渦能大小隨時間而增加，然而液相區(qū)域的平均擬渦能大小隨時間而減小。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，隨著韋伯數(shù)的增加，這種正交性減弱的趨勢更加明顯。這是由于在較

8、大韋伯數(shù)的情況下，表面張力極大程度的阻礙了由于湍流應(yīng)變運動產(chǎn)生的界面變形。在湍流破碎的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，我們又考慮了實際發(fā)動機內(nèi)部密度比和粘度比的范圍，進而展開對改進“歐拉-拉格朗日霧化模型（ELSA）”的研究。在該模型中，我們改進了平衡韋伯數(shù)的定義，并對湍流源項的二次形式進行了驗證。⑷對旋轉(zhuǎn)射流霧化進行了直接數(shù)值模擬，以研究旋轉(zhuǎn)射流中液膜的形成、液橋的形成、液滴形成的機理以及湍流對霧化的影響。研究結(jié)果表明， Rayleigh-Taylor

9、不穩(wěn)定性是主導液膜一次破碎的原因。湍流入口增強了流動的不穩(wěn)定性，導致了液滴的徑向彌散和與空氣的混合。湍流入口可以導致液膜快速破碎，減弱液膜的剛性，并且導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)出強烈的湍流特性，這也增強了液滴和周圍空氣的混合程度。在兩相射流中并未出現(xiàn)旋進渦核（PVC）。此外，對于湍流入口條件下，回流區(qū)更小并且更加遠離噴口。對于渦矢量和中間應(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