气泡雾化喷嘴气液两相流动的数值模拟研究

摘要

轻质柴油等低闪点的燃料因其具有易储存、安全性高等优点，在一些特殊领域的应用越来越受到重视。但由于燃料闪点低，利用传统的压力雾化方式往往需要提供高压才能实现雾化，而高压雾化装置无疑增加整机的质量。气泡雾化喷嘴作为一种两相流喷嘴，具有低压条件下即可实现液相工质良好雾化的特点。相比于其它两相流喷嘴，其具有所需气相工质少、雾化效果对液相粘性不敏感、不易堵塞等特点，这使其能够满足一些应用在特殊领域的动力装置对燃料雾化的要求。
　　本文以气泡雾化喷嘴为研究对象，建立了气泡雾化喷嘴的几何模型以及描述气液流动的数学模型，在此基础上划分网格并确定边界条件。利用所建立的模型对气泡雾化喷嘴内部气液两相流动以及喷嘴下游的喷雾场进行研究。
　　针对气泡在喷嘴内的形态变化，利用VOF方法对单气泡在喷嘴内流动时的形态及其特征参数进行研究。通过对比分析不同气泡尺寸、液相流量、液相粘性、喷嘴收缩角度以及喷孔长径比时气泡在喷嘴内形态变化，得到了不同条件下气泡形态变化特点。在此基础上对不同条件下的特征参数进行计算和对比，给出了不同条件对气泡特征参数的影响规律。
　　为了研究不同工况条件时气泡雾化喷嘴内的两相流动结构特点，分别对不同气液质量比时喷嘴内的气液两相流动结构进行对比分析。在此基础上，通过对喷嘴出口截面处两相流动参数的计算，研究了不同气液质量比、不同液相流量时喷嘴出口截面处的含气率、液膜厚度等气液两相流动参数特点。研究结果表明:各种工况下喷嘴出口截面两相流动参数均随时间发生波动，同时出口截面处的液膜厚度随着液相流量和气液质量比的增加而减小。
　　最后，结合喷嘴出口两相流动参数利用欧拉-拉格朗日方法对喷嘴下游气相-液滴耦合喷雾场进行研究。在建立计算区域和划分网格的基础上，首先确定了不同条件时的一次雾化粒径，并以此作为入口条件进行耦合计算。得到了气泡雾化喷嘴下游液滴粒径、液滴速度等的分布特点，并对液相流量、气液质量比对气泡雾化喷嘴下游液滴粒径及其分布的影响进行了研究。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 气泡雾化喷嘴的结构及雾化特点

1．2．2 气泡雾化喷嘴喷雾特性的研究

1．2．3 气泡雾化喷嘴内两相流流动行为的研究

1．3 论文研究的意义及内容

1．3．1 论文研究的意义

1．3．2 论文研究的内容

2 气泡雾化喷嘴内气泡运动形态特征及变化研究

2．1 气液两相流动模型的建立

2．1．1 控制方程

2．1．2 湍流模型和近壁面的处理

2．1．3 几何模型的建立以及网格的划分

2．1．4 初始条件和边界条件

2．1．5 模型的验证

2．2 喷嘴内气泡形态变化规律

2．2．1 喷嘴内气泡的形态变化特征

2．2．2 喷嘴内气泡形态变化的影响因素分析

2．3 喷嘴内气泡特征参数研究

2．3．1 气泡特征参数

2．3．2 气泡特征参数的变化历程

2．3．3 气泡特征参数的影响因素分析

2．4 本章小结

3 气泡雾化喷嘴内气液混合及喷嘴出口截面参数研究

3．1 喷嘴内气液流动模型的建立

3．1．1 控制方程

3．1．2 几何模型与网格划分

3．1．3 初始条件和边界条件

3．1．4 模型的验证

3．2 不同气液质量比时喷嘴内气液混合的对比

3．3 气泡雾化喷嘴出口截面处流动参数的影响分析

3．3．1 喷嘴出口截面含气率

3．3．2 喷嘴出口截面等效液膜厚度

3．3．3 喷嘴出口截面的液相速度

3．3．4 喷嘴出口截面处液相质量流量

3．3．5 喷嘴出口截面动量通量

3．4 本章小结

4 气泡雾化喷嘴喷雾场液滴分布特征及影响因素分析

4．1 气泡雾化喷嘴喷雾场模拟模型

4．1．1 气相-液滴两相流动模型

4．1．2 射流的二次雾化模型

4．1．3 计算域及其网格划分

4．1．4 气泡雾化喷嘴的一次雾化液滴粒径的确定

4．1．5 初始条件和边界条件

4．2 气泡雾化喷嘴下游喷雾场及液滴的分布特征

4．2．1 计算域中的喷雾场

4．2．2 气泡雾化喷嘴雾化液滴的分布特征

4．3 气泡雾化喷嘴液滴分布的影响分析

4．3．1 气液质量比对喷雾分布的影响

4．3．2 液相流量对喷雾分布的影响

4．4 本章小结

5 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集