单液滴撞击固壁与多液滴消减热辐射的研究

摘要

单液滴撞击固壁的现象广泛存在于自然界和人类生产活动中,鉴于其重要的实际应用价值以及内部复杂的作用机理,一直以来,单液滴撞击固壁现象都是流体动力学和物理学界的研究热点。
　　本文通过实验和数值模拟相结合的方法,对单液滴撞击固壁运动过程和流场特性开展了实验与数值研究。建立了可视化实验平台,利用Photron FASTCAM SA1.1高速相机记录单液滴撞击固壁的全过程,对比分析了液滴的物性参数、黏度系数、撞击速度和壁面参数对撞击过程中液滴的铺展和振荡的影响,发现液滴物性参数、黏度系数和壁面参数对液滴铺展和振荡影响较大;剪切变稀型非牛顿流体卡波姆凝胶液滴撞击固壁与普通牛顿流体液滴撞击固壁有不同的变化规律。数值模拟计算采用开源CFD软件OpenFOAM,结合大涡模拟(LES)模型,采用流体体积(VOF)方法捕捉自由界面,提出并验证了一种新的分段式动态接触角(SDCA)模型,模拟结果与实验吻合良好。分析了液滴撞击固壁的过程及其流场特性,包括速度场和压力场的变化规律,揭示了撞击过程中液滴内外流场中涡旋的产生-发展-湮灭过程,发现铺展速度的局部最大值出现在气液界面处;液滴内局部快速流动会导致负压的出现;水滴撞击玻璃固壁时会在水滴中心产生气泡,并且气泡会上浮从水面消散,在撞击过程中,气泡的产生和消散可能不止一次。
　　此外,本文对多液滴形成的细水雾进行了消减热辐射的工程应用理论研究和数值验证。基于米氏散射理论,结合工程应用的实际喷嘴参数,建立了多液滴消减热辐射的理论模型,并对该模型进行了数值验证。结果表明,本文提出的多液滴消减热辐射理论模型能够有效应用到工程实践中。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2单液滴撞击固壁及多液滴消减热辐射研究现状

1.3计算流体动力学

1.4非牛顿流体

1.5本文的主要工作

第二章单液滴撞击固壁的实验研究

2.1实验装置和方法

2.2实验工况及参数

2.3实验结果与分析

2.4本章小结

第三章单液滴撞击固壁的数值模拟

3.1 OpenFOAM简介

3.2大涡模拟方法

3.3控制方程

3.4计算条件设置

3.5数值模拟结果与分析

3.6本章小结

第四章多液滴消减热辐射的理论研究和数值验证与实例分析

4.1多液滴消减热辐射的工程应用背景

4.2米氏散射理论

4.3多液滴消减热辐射的理论模型

4.4多液滴消减热辐射的数值验证

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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