基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

航空发动机燃油雾化特性研究进展

从实验、理论和数值模拟三个方面对航空发动机内的燃油雾化问题研究进展进行了综述。实验方面,通过雾化实验,可定性分析喷注参数及环境条件等因素对雾化效果的影响,测量技术是影响实验精度的关键;雾化理论对液膜形状及破碎特性的预测值与实验还存在一定误差,复杂气动条件下的雾化理论还较为缺乏;雾化数值模拟可以获得不同形式燃油雾化的某些典型变化过程,复杂多过程、多因素影响的雾化模拟还较难开展。总体上看,航空发动机燃油雾化机理还未能完全揭示。     

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

幂律型凝胶推进剂射流撞击雾化SPH模拟

为研究幂律型本构关系对于凝胶推进剂雾化的影响,应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了凝胶推进剂的射流撞击雾化仿真,并与实验结果进行了对比。推导了幂律型本构关系的SPH求解方法,发展了三维隐式SPH算法,克服了凝胶推进剂的高粘度对于时间步长的限制。制备了胶凝剂含量分别为1%,2%的两种水基凝胶推进剂模拟液并进行了6种工况的雾化实验和数值模拟,证明了本文SPH方法可以有效模拟凝胶推进剂的雾化问题。对于本文研究的工况,雾化区内模拟液的表观粘度普遍高于10-2N?s/m2,从撞击点至雾化区下游,模拟液的表观粘度呈震荡上升分布。分析表明,雾化区下游的高表观粘度是造成凝胶推进剂雾化生成液丝及大尺寸液滴的重要原因。     

基于SPH方法的凝胶推进剂一次雾化仿真研究

一次雾化中存在传统网格法难以解决的自由表面、大变形等问题,本文将光滑粒子流体动力学(SPH)方法探索性地应用于凝胶推进剂一次雾化仿真研究。模型粒子数保持在105左右,在高剪切速率下,将凝胶推进剂看作高粘度牛顿流体,研究了撞击速度、撞击角度以及凝胶推进剂物性参数对雾化效果的影响,仿真结果与实验结论基本一致。     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

基于SPH方法的幂律流体突缩型管路流动过程仿真

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了幂律型流体的突缩型管路流动过程仿真。推导了SPH形式的流体动力学控制方程,应用罚方法施加边界条件,应用人工应力消除拉伸不稳定现象,应用XSPH方法规范粒子秩序。提出了幂律型本构关系的SPH求解方法,推导了剪切速率及粘性项的计算公式。应用Poiseuille流算例对本文的幂律型本构求解方法进行了验证,获取了幂律型流体在突缩管中的流动特性,并与水的流动特性进行了对比分析。讨论了流动特性的成因。