液体射流首次破碎的直接数值模拟研究

摘要

本文为探究液体射流破碎的失稳和首次雾化过程，采用大规模的计算网格，引入了一种结合VOF(Volume of Fluid)界面流模拟方法和有界压缩格式的直接数值模拟方法，追踪射流气液两相之间的界面演化。
　　首先模拟了以0.415m/s和1.04m/s的速度进入静止空气的两个低速液体圆射流。将低速射流的界面发展分为射流形成阶段、核心增长阶段和稳定阶段，分别考察了三个阶段内射流破碎的动力学现象，计算得到的射流破碎长度均值与经验值相近。验证了本文采用的数值模拟技术方法在模拟射流破碎过程时具有高精度和高可靠性。
　　进一步研究了速度为30m/s的高速燃油圆射流破碎过程，计算捕捉到了射流破碎引起的液丝和液滴与复杂流场结构的演化过程，以供开展动力学特性研究。研究分析了射流头部和液柱核心的形态变化过程，揭示了射流液体与周围空气两相之间的相互作用机理。分析指出射流前锋最先受到扰动，在空气动力作用下扭曲变形并产生细小的液丝和液滴。扰动借助气相和液相两种方式向上游传递，对射流的破碎进程产生促进作用。随着射流失稳和破碎程度加深，流场高度紊乱，气液混合程度进一步提高。考察了射流首次破碎时头部抽丝的动力学机制，以及液丝在周围气体影响下演变并产生液滴的若干机制。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 液体射流破碎机理

1．2．1 首次破碎机理

1．2．2 射流破碎的特征参数

1．2．3 射流破碎的影响因素

1．3 射流雾化机理的研究现状

1．3．1 静止气体中的圆射流

1．3．2 横向气体中的圆射流

1．3．3 平面液膜破碎

1．4 射流雾化实验研究进展

1．5 射流雾化数值模拟研究进展

1．6 本文的研究内容

第2章 射流雾化流场求解方法

2．1 射流雾化流场的数值模型

2．1．1 基于Eulerian-Lagrangian框架的雾化过程建模研究

2．1．2 基于Eulerian-Eulerian框架的雾化过程界面追踪模拟研究

2．2 控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．3 表面张力模型

2．4 VOF方法的基本原理

2．5 界面重构技术

2．6 人工压缩界面输运方程

2．7 NVD型高阶GDS有界格式

2．8 本章小结

第3章 低速圆射流数值模拟

3．1 物理模型描述与计算参数设置

3．2 We=3.1射流的数值模拟结果

3．2．1 二维数值模拟结果

3．2．2 三维算例验证对比

3．2．3 射流破碎过程

3．2．4 速度场

3．2．5 射流破碎长度

3．3 We=1 6.2射流的数值模拟结果

3．3．1 射流破碎过程

3．3．2 速度场

3．3．3 射流破碎长度

3．4 本章小结

第4章 高速圆射流数值模拟

4．1 物理模型描述与计算参数设置

4．2 数值模拟结果分析与讨论

4．2．1 网格无关性验证

4．2．2 射流整体结构

4．2．3 扰动的产生和传播

4．2．4 液丝形成机制

4．2．5 液丝的发展和液滴形成机制

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来研究展望

参考文献

作者简历