大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟

采用 VOF 方法建立了大水滴撞击壁面的计算模型,模拟了大水滴以不同直径、不同速度撞击光滑壁面的动态撞击过程和撞击特性。计算结果表明：在大韦伯数情况下,水滴撞击光滑壁面会在铺展过程中发生边缘水滴飞溅;在水滴撞击壁面的收缩阶段,随着水滴直径的减小和水滴速度的提高,会发生液膜缓慢收缩、边缘液环和液膜分离、中心处部分液膜和边缘液膜分离、液膜完全破裂等不同结果;当水滴直径和撞击速度增大时,同一时刻水滴的铺展半径、最大铺展半径、最大铺展系数增大;水滴在壁面上达到最大铺展系数所用的无量纲时间随水滴直径增大而增大,同一直径水滴不同初始速度下达到最大铺展系数所用的无量纲时间变化较小。     

振动对液滴撞击壁面铺展特性的影响

在航空航天领域的喷雾冷却过程中，被冷却器件时常处于振动状态，因此确定振动对喷雾冷却液滴撞击壁面动态行为的影响有重要意义。基于VOF方法和动网格模型建立了液滴撞击垂直简谐振动壁面的数值模型，研究了壁面振幅、频率和初始相位角对铺展特性的影响。结果表明，相同撞击条件下，壁面振动不仅影响着最大铺展因子和铺展时间的大小，还会使液膜发生断裂抑制和飞溅行为；初始相位角为0°时，铺展时间随振幅和频率的增加而减小；最大铺展因子随振幅的增加一直增加，振幅较小时，最大铺展因子随频率的增加先增加后减小，在共振频率处取得最大值且减小程度随振幅的增大逐渐降低，振幅较大时，最大铺展因子随频率的增加变为一直增加；铺展时间和最大铺展因子随初始相位角的变化趋势主要与频率有关，频率较小时，初始相位角对铺展时间和最大铺展因子无明显影响，随着频率的增加，铺展时间先后在180°和90°相位最大，最大铺展因子先后在0°和180°相位最大。     

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。      

喷雾液滴撞击液膜影响参数及流动机理分析

液滴撞击壁面是喷雾冷却中最常见的现象。使用计算流体力学软件中的Volume of Fluid （VOF）模型对液滴撞击壁面过程进行了数值模拟研究，研究了不同参数的液滴撞击壁面液膜过程的水花形态特点，针对水花高度和直径等参数进行了分析，通过运动间断理论和无量纲参数Re和We的变化分析了不同参数对液膜的流动特征和水花形态的影响及水花产生机理。结果表明：大液滴撞击液膜时能够改善液膜的流动状态；过大的液滴速度会产生大量飞溅及表面干涸；液滴撞击薄液膜时，液膜的流动性较好，当0.6<h*<1.2时，液膜的流动性不随液膜厚度改变。     

微重力条件下水滴撞击高温壁面数值模拟研究

火灾研究一直是航天器工程不可忽略的重要命题。细水雾被看作是载人航天器中有效的替代灭火剂,因此研究微重力条件下细水雾的特性是很有必要的。采用VOF方法对微重力条件下水滴碰撞高温壁面后的动力学进行了研究;分析了液滴碰撞高温壁面后运动形态和温度场的变化情况,水滴对高温壁面的冷却具有很好的效果。研究了水滴初始直径和速度对水滴铺展的影响,在一定范围内减小水滴粒径,冷却壁面的效果会增强;水滴速度大小不同时。水滴冷却壁面的方式不同。微重力条件下水滴有很好的冷却作用,为载人航天器中细水雾的使用提供了参考。     

相邻离心式喷嘴液膜撞击雾化过程仿真

基于Gerris软件建立的锥形液膜雾化破碎过程数值仿真方法,对相邻多个离心式喷嘴液膜撞击雾化过程进行了数值仿真,可视化展示了喷雾场三维形态和结构特征,并做了流场分析,讨论了喷嘴之间的相互干扰作用,获得了液滴空间分布,对相邻不同数目的喷嘴雾化效果进行了比较。结果表明:双喷嘴液膜撞击会形成一个类似互击式射流撞击形成的扇形区域,但又与其不同;锥形液膜的撞击效果主要依赖径向速度而不是切向速度,液滴平均粒径与撞击液膜间的旋向几乎无关。多喷嘴液膜撞击会使得液滴空间分布发生大的变化,液膜破碎长度会缩短。多喷嘴液膜撞击后的雾化特性是否改善与单喷嘴原先的雾化特性以及喷嘴间的距离密切相关。对于文中特定的喷嘴结构、喷嘴间距及排列方式,双喷嘴的液滴SMD均比单喷嘴的增大约4.8%~6.1%;四喷嘴的液滴SMD比单喷嘴的增大约7.3%,比双喷嘴的增大约2.4%。     

液滴─固面高速撞击问题中固体变形性的影响

将液滴—固面高速撞击的非线性流体动力学模型应用于固体动力学行为的研究之中,导出了固体可变形系数及其内部应力张量的计算方法,从而使作者提出的非线性理论模型能够计及固体变形性对撞击效应的影响。对刚性和可变形固面的撞击过程进行了比较计算和分析,表明在高速撞击条件下两者有较大的差别,并且固体的可变形性对撞击有着强化—缓解双重作用,这在工程选材时必须加以考虑。同时,本文还给出了工程材料的刚性判据。     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为,及其对发动机燃烧和传热的影响,进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验,使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况,包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度,证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果,分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型,并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析,通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比,验证了该模型具有更高的准确性。     

喷雾液滴与涂层壁面作用的机理性试验及其影响研究

为了研究双组元离心式发动机的喷雾液滴在撞击燃烧室涂层壁面后的发展行为，及其对发动机燃烧和传热的影响，进行了液滴与真实的涂层试样的机理性试验。通过试验，使用高速摄影装置观察了液滴在不同温度和入射韦伯数We的条件下撞击涂层试样后的情况，包括撞击后粘附、铺展、破碎、飞溅、悬浮和反弹多种行为模式下的速度、粒径和角度，证明了涂层表面状态的差异性对于液滴撞壁行为有显著影响。根据试验结果，分别建立了两种涂层基于壁温与入射韦伯数We的液滴撞壁机制和数学模型，并结合化学反应动力学模型进行了燃烧传热分析，通过与OA模型仿真结果和真实发动机热试车测试数据的对比，验证了该模型具有更高的准确性。     

翼型表面结冰准定常数值模拟

对翼型表面的结冰过程进行了准定常数值模拟。在每个时间步长内完成网格随着壁面边界的移动而更新、周围流场和水滴撞击特性重新计算、冰形计算及壁面边界的重构工作,如此循环直至所需的结冰计算时间。采用拉格朗日轨迹追踪法获得水滴撞击特性,应用考虑壁面粗糙度影响的边界层积分法计算壁面的对流换热系数,在此基础上求解Messinger结冰热力学模型,冰层始终沿壁面外法线方向生长。对NACA0012翼型在不同环境下生成的三种典型冰形进行了预测,并与实验结果进行了比较,表明本文所述方法的有效性。     

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

正庚烷液滴在微细直管中的燃烧特性实验

为了解微细直管对液滴形成和燃烧稳定性的影响,采用正庚烷作为燃料在内径为4mm的石英直管中的进行了实验研究.其结果显示:首先在不加热时,容易形成液滴,正庚烷体积流量小于40μL/min 时,火焰稳定性受液滴滴落的影响较大,液滴的蒸发主要受到空气体积流量影响下的火焰位置的影响;大于40μL/min时,液膜形成,火焰受液滴滴落影响不大.其次,管壁加热温度为180℃时,正庚烷体积流量低于60μL/min时难以形成液滴,大于60μL/min时液滴滴落后不形成液膜,液滴的蒸发受空气流速的影响较大,在液滴滴落以及空气流速的影响下,微燃烧器温度的变化对燃料的蒸发产生更大的影响,富燃较贫燃更易形成连续的火焰.空气流速大小对管壁温度影响明显,空气流速越小,管壁温度越高,液滴蒸发速率越大.      

流向强迫作用下的液体初始雾化机制及动力学特征

使用Volume of fluid (VOF)方法和基于树形数据结构的自适应算法来研究射流雾化的破碎过程以及扰动对射流破碎机理产生的影响。在无扰动情况下,液体射流的头部、液丝和液滴随着射流时间的发展不断发生演变。射流头部先呈现蘑菇状外形,随后液丝生成,并慢慢转变成网兜状,直至断裂形成小液滴。在周期性流向强迫的作用下,射流液柱的表面会形成周期波,其液丝破裂形成液滴的时机与稳定射流情形相比会有所提前,射流形成的头部更趋于扁平,最终生成的液滴数量更多。低中频阶段,随着扰动频率的增大,射流未扰动液柱长度(L)逐渐缩短,液滴直径的概率密度分布(PDF)趋于尖锐,液滴平均直径(SMD)增大。在高频阶段,随着扰动频率的增大,L会随之增大,液滴直径的PDF分布变得平缓,SMD会减小。     

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。      

水滴动力学行为对其撞击特性影响

设计了一种压电式等径离散水滴发生器,利用高速摄影的手段对水滴变形现象进行了实验研究。建立了水滴变形后的非球形阻力模型,同时引入了水滴破碎和飞溅模型,采用欧拉法对不同条件下水滴撞击NACA23012翼型的过程进行了数值模拟,并与传统模型下水滴撞击特性计算进行了对比。研究表明:水滴变形会导致其阻力系数增大,水滴阻力系数曲线在雷诺数大于500时逐渐脱离球形阻力曲线,不断增大接近圆盘阻力系数;水滴阻力特性的改变会影响水滴运动轨迹,增强水滴的气流跟随性;水滴飞溅会造成水滴质量损失,减小翼型表面局部水收集系数,这与实验数据更加吻合。      

非结构网格在积冰数值模拟中的应用

基于非结构网格对翼型表面的积冰进行了数值模拟研究.通过求解气体欧拉方程得到翼型的绕流流场,使用穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击,采用迭代法对水滴控制方程进行数值求解,得到翼型表面的水滴收集特性;采用不同的积冰冻结模型模拟霜冰和明冰的冻结过程;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,基于积冰法向生长假设生成积冰外形.对NA...     

低速下水滴撞击固体表面运动模拟

以水滴撞击飞机部件造成结冰问题为背景,运用level set界面追踪方法,把不可压黏性方程组中的表面张力用level set函数表示,并利用2阶变密度投影算法求解二维不可压Navier-Stokes方程组,数值模拟了低速下的水气界面追踪问题.为了能够处理密度比为1000的水气界面问题,在界面处引入了一定宽度的光滑过渡带宽,进而消除了由于界面两边大密度比引起的数值震荡,由此较为成功地模拟了大水滴在不同表面张力时撞击平板后的形态变化及其运动轨迹.数值实验结果表明本算法可以有效地处理界面处密度比和黏性很大的不可压多相流问题.考虑界面处的表面张力,本算法可模拟不同表面张力下的界面运动变化.