射流近场区域特征的三维直接数值模拟

摘要

燃油雾化状况直接影响到其燃烧品质及排放水平，从而对动力机械的性能输出具有至关重要的作用。然而对于喷雾破碎过程的影响因素的研究，特别是近场区域尚不透彻。燃油喷雾常发生在高温高压条件下，具有高雷诺数、高韦伯数等特点。因此喷雾过程中的初次破碎及二次破碎受到湍流作用的直接影响。因此本文重点研究了在湍流作用下的牛顿流体以及幂率流体的射流演化过程。 研究通过模拟单相的三维圆管湍流来表征喷嘴内湍流的生成过程。当此湍流充分发展时，经过空间和时间的平均，将平均特性与现有文献做对比验证。此后，将单相湍流的每一个时间步下的出口速度存入一个湍流数据库。通过映射，在保持时间步长一致的条件下，使得该湍流数据库作为两相射流的入口速度边界。同理，二次破碎的湍流边界也可由单相方管湍流流动生成。 射流过程是一种常见的两相问题。研究使用DNS（直接数值模拟）结合VOF方法追踪气液两相界面。由于其成熟性，对研究射流过程中变形及破碎问题具有可靠性。 研究发现随着射流进程，液柱表面开始波动形成凸起，在湍流及气液相互作用下，进而拉伸剪切成各种液丝。液丝又进一步破碎成各种形状的液团和液滴。与此同时，液丝在变形过程中，经过剪切、拉伸、扭曲后形成了不同的破碎模式。 较高的射流速度及射流背压会促进射流的破碎过程，对于牛顿流体或幂率流体都具有相同的特征。在本研究的条件下，剪切变稀流体更容易破碎，因而具有最好的破碎效果。然而剪切变稠流体随着射流进程，由于粘度较大，能量耗散也较快，破碎效果不佳。从破碎模式来看，剪切变稀流体与牛顿流体有相似之处，但剪切变稀流体破碎更易更剧烈，尤其在射流的后期。 当液滴从液柱剥落时，射流将发生二次破碎。研究发现，除了液滴破碎的临界韦伯数，也应该考虑临界雷诺数的影响。与文献中采用均匀流来研究液滴的破碎和变形不同，本文研究了液滴在弱湍流下的破碎特征。研究发现在弱湍流下液滴变形方向不固定不对称。变形幅度不及相同平均速度下的均匀流。

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