超声速气流中液体横向射流一次雾化的实验与大涡模拟研究

摘要

本论文以超声速气流中的一次雾化为研究对象。研究的方法分为实验研究和数值模拟两个部分。
　　实验研究方面，首先，基于光学拍摄所得的横向射流瞬时图像对横向射流的雾化过程进行了直观的认识。横向射流的雾化分为液柱破碎为液块、液块破碎为液滴、液滴进行二次雾化这三个过程。在液柱破碎和液块破碎的过程中观察到了大量的表面波的作用，同时伴有在强力气动力作用下的液滴直接剥离液面。在射流迎风面所观察到的表面波结构由大量的不同波长的表面波所组成，而其总的发展趋势是沿着射流方向波长不断增长。当扰动波发展到一定程度，射流液柱将会在波谷处破碎形成液块。然后基于对横向射流雾化物理过程的认识，采用射流夹角与壁面压力作为表征横向射流雾化特性的参数针对喷前压力、喷孔直径和来流总温三个因素分析了其对超声速流条件下横向射流雾化的影响。通过分析比较，得到射流的穿透能力与喷前压力和喷注孔径呈正相关关系。
　　数值模拟方面，采用了基于CLSVOF的大涡模拟方法。该数值模拟方法的两个核心部分是 CLSVOF界面追踪方法和可压/不可压耦合的两相大涡模拟。其中CLSVOF方法结合了Level-Set和Volume Of Fluid两个方法的优点，同时兼具VOF方法的质量守恒性和 LS方法界面重构和简便性。实现可压/不可压耦合的两相大涡模拟方法最关键的是用虚拟流体方法处理表面张力以及去散度化的界面速度重构解决数值破碎的问题，并且通过提高速度外延的精度减少了高We数计算时液体产生的非物理破碎。基于所发展的数值方法，利用超声速气流中液滴破碎作为验证算例来检验所发展数值方法在求解超声速来流条件下液体破碎的可行性和可靠性。将计算结果与实验结果进行了不同破碎模式的定性比较以及液滴破碎分布的定量比较，并且将表面波动波长的计算值与理论值进行了比较。通过验证算例，证明了所发展方法的可靠性和正确性。验证了数值方法后，以来流Ma数2.1，We数500，动压比10的工况为基准工况，展开了针对Ma数、We数以及动压比这三个常用量作为研究超声速气流中一次雾化的三个方面。针对We的研究进行了100、300、500、700、900、1100六组工况的对比。通过对比发现，同超声速气流中液滴破碎的情况一样，We影响着横向射流的破碎形态，We数越大在液体表面所形成的不稳定波动越小。通过理论公式计算的波长与数值模拟的结果进行对比证明了沿射流方向的表面波动机理可由 Rayleigh-Taylor不稳定性来进行解释，而沿展向的波动的主要机理不是 Rayleigh-Taylor不稳定性。通过对液体射流破碎分布和频率特性的研究发现，We数主要影响液体不稳定波动及破碎的程度。不同动压比的研究主要针对q为5、10以及15三组工况进行的对比研究。在研究过程中发现，射流穿透深度受动压比的影响非常大：动压比越大射流的穿透深度也越大。动压比的物理意义反应的是液体和气体之间动量的相对大小关系。通过对破碎分布和频率特性研究可知，动压比主要影响的是气液相互作用的强度，或者说是气体对液体运动的影响程度。通过对Ma数这一只反映气体特性的参数的研究发现其对射流的破碎分布以及频率特性没有显著的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文主要内容

第二章 超声速气流中横向射流实验方法与方案

2.1 实验系统

2.2 实验方案

2.3 小结

第三章 来流Ma数为2.5的实验结果与分析

3.1 超声速气流中横向射流雾化的物理过程

3.2喷前压力对射流影响

3.3喷孔直径对射流影响

3.4来流总温对射流影响

3.5小结

第四章 基于界面追踪的两相大涡模拟方法

4.1 CLSVOF界面追踪方法

4.2可压/不可压耦合两相数值方法

4.3数值方法验证

4.4小结

第五章 不同工况横向射流的数值模拟

5.1 横向射流破碎过程

5.2 We数对射流的影响

5.3动压比q对射流的影响

5.4来流Ma数对射流的影响

5.5小结

结 束 语

本论文的主要工作具体包括以下几点

主要结论及创新点

下一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果