基于OpenFOAM的非牛顿液体圆射流破碎的数值研究

摘要

非牛顿液体射流破碎问题广泛存在于实际工程应用中，如发动机、食品工程及化学工业等方面。由于非牛顿液体具有复杂多样的流变特性，加之射流破碎属于多相流问题，涉及自由表面的流动稳定性，从而很大程度上加大了该问题的难度。目前对射流破碎的机理还没有形成系统全面的认识。鉴于问题的复杂性以及应用的广泛性，对于非牛顿液体射流破碎问题的研究成为一个亟待解决的研究课题。
　　 本文从幂律型非牛顿流体的原始物性特征出发，结合流体力学基本方程，推导出了相应的适合幂律型非牛顿流体圆射流的本构方程和控制方程，建立了三维空间和一维时间的数学模型和计算方法，通过CFD仿真计算研究射流破碎的形貌和特征，从而更全面地揭示幂律型非牛顿流体圆射流破碎的演化机理和运动规律。
　　 本文基于开源CFD平台OpenFOAM，结合大涡模拟湍流模型(LES)，采用流体体积方法(VOF)以及基于PLIC的几何重构方法追踪射流过程的自由表面，捕捉气液界面的演化过程，获得射流流场信息，进而分析射流及环境参数对射流形貌特征的影响。结果展现了剪切变稀型非牛顿液体从圆形喷嘴喷入静止气体的动态发展过程，获得了射流形貌特征。定义了圆射流的核心长度、破碎长度，并且给出了核心长度以及破碎长度随时间的变化规律。讨论了射流参数(射流速度、幂律指数、稠度系数)以及环境参数(环境压力、密度)对射流形貌、核心长度和破碎长度的影响，并与实验结果进行比较。同时分析了瞬时脉动压力场以及涡量场，发现在喷嘴附近气液自由表面处有环形结构。利用正则模方法，对不同射流工况下幂律流体圆射流的色散方程进行数值计算，分析了不同射流参数对射流不稳定性的影响。通过理论分析和实验对比，验证了本文数值模拟的正确性和可靠性。
　　 本文旨在通过数值模拟方法对非牛顿液体射流破碎问题的分析和研究，更深刻和全面地认识非牛顿液体射流破碎机制，为工程实际应用提供理论基础。