气体介质中液滴破碎的LES/VOF数值模拟

为进一步揭示气体介质中液滴破碎的机理与影响因素,采用LES与VOF相结合的方法对液滴破碎过程进行了数值模拟,计算结果与实验结果符合较好,并且优于前人RANS模拟的计算结果。在此基础上,对多工况液滴破碎进行了LES/VOF模拟,分析计算结果发现,液滴破碎初期,液滴的尾涡效应影响液滴的初始变形位置,在变形过程中,液滴表面压力分布直接影响液滴的破碎状态;另外,在一定初始速度范围内,液滴破碎过程保持一致,但初始速度对液滴变形破碎时间及强度影响明显。     

基于扩展TAB模型的凝胶液滴二次雾化特性研究

为初步研究幂率型凝胶液滴的二次雾化特性,将原始的Taylor-analogy-breakup(TAB)模型扩展并应用到幂率型凝胶颗粒中,采用四阶Runge-Kutta法对凝胶液滴的振荡方程和运动方程进行了数值求解,计算了不同空气动力和物性参数条件下的初始破碎时间和临界特征。结果表明:随着相对速度和液滴直径的增加,初始破碎时间迅速降低,然后保持稳定;随液/气密度比和表面张力系数增大,初始破碎时间呈线性增长趋势;初始破碎时间随稠度系数增大而增大,而当流动指数较小时初始破碎时间变化很小,流动指数超过0.6后初始破碎时间增长迅速,二者与相关实验比较存在一定误差;随Web数增大,液滴的振荡幅度变大,达到稳定后其无量纲变形系数就越大;凝胶液滴的稠度系数越高,临界Webc数越大,液滴二次雾化能力越低。流动指数小于0.6时,临界Webc数变化较小,而后其值则迅速上升。     

基于液滴模型的压气机吸水过程性能模拟

为了探究水吸入过程对压气机性能的影响,开展了多级轴流风扇在来流含水情况下的性能研究。构建液滴模型,综合考虑液滴轨迹及液滴的变形、破碎和与叶片的碰撞过程,同时需要探究液滴的蒸发和叶片表面附面层的蒸发。然后将液滴模型与平均流线法相结合,分析了水吸入对压气机内流量、压比和温比的影响。结果表明,吸入水含量一定时,液滴的直径越小,转子处压比和温比增量越大,最大分别能达到8.70%和4.89%。在液滴直径恒定时,吸入水含量越多,转子处压比和温比增量越大,最大分别能达到6.91%和3.94%。     

KH-RT模型在横向来流作用下射流雾化过程的应用

针对射流柱在横向来流下的破碎过程,采用欧拉-拉格朗日模型对其进行了数值模拟。其中射流柱的一次雾化采用WAVE模型,颗粒的二次雾化采用KH-RT混合模型。计算得到的液滴颗粒平均直径在70μm左右,还得到了雾化场的喷雾结构、速度分布、索特尔直径分布,以及射流柱在不同来流速度下破碎过程等。同时通过采用不同二次破碎模型,分别将计算结果与试验结果进行对比,结果表明采用的KH-RT混合雾化模型在一定程度上能够更加真实地反映雾化过程,并较好地捕捉射流雾化特点。     

两种雾化模型在横向流雾化数值模拟中的应用

通过对横向气流中燃料雾化的数值模拟,分析了两种常用的雾化模型TAB(Taylor analogy breakup)模型和Reitz波不稳定性模型中的经验参数变化对模拟结果的影响,为合理使用这两种雾化模型提供了参考.对雾化过程的模拟结果与实验结果的对比分析发现:虽然TAB和Reitz波模型都能对穿透深度进行很好的预估,但从液滴分布、SMD(Sauter mean diameter)和液滴速度等具体参数的计算结果来看,TAB模型的计算结果优于Reitz波模型,更适用于相关计算,并给出了适当的TAB模型的经验参数取值.最后,用TAB模型在相同经验参数下对不同燃料喷射速度的工况进行了计算,得到了满意的结果.这种先用实验数据校准经验参数,然后用校准后的经验参数计算相关未知结果工况的方法可以应用在今后的预估计算和研究中.      

涡扇发动机内外涵道水量分布比例数值仿真

涡扇发动机经常会在雨天执行飞行任务，当雨滴进入发动机后，由于风扇旋转、液滴和液滴碰撞、液滴与叶片壁面碰撞 导致核心机与内外涵道之间的水量重新分配。针对雨滴在内外涵道的分配问题，采用了3维建模仿真方法计算水进入核心机的比例。通过拉格朗日法建立了两相流模型，同时考虑了液滴运动模型和破碎模型，研究了不同的水气比、初始液滴直径和风扇转速对内外涵道水量分配比例的影响。结果表明：进入核心机的水量取决于液滴的初始液滴直径和风扇速度，水气比对进入核心机的水量影响较小。将仿真计算结果与文献[6]中经验数据进行了比较，仿真最大误差为3.3%。证明所建立的涡扇发动机内外涵道水量分布比例数值仿真方法是合理的，对计算液滴量的内外涵道分配具有一定的参考价值。     

超声速气流中液滴破碎的大涡模拟

为了研究超声速气流中的液滴破碎过程,采用基于CLSVOF界面追踪方法的大涡模拟方法。该方法中用可压流和不可压流求解器分别计算超声速气流流场和液体流场,并且在分别计算气相或液相时,另一相作为该相计算时的边界条件参与计算,从而实现可压流求解器和不可压求解的融合。通过去散度化液体速度外推解决界面处大液气密度比所带来的动量误差大的问题。利用该方法对来流Ma=1.358的超声速气流中的水滴破碎进行了数值模拟。模拟结果展示了超声速气流中液滴破碎的几何结构变化细节和基本破碎形态,且与实验吻合较好。数值模拟结果揭示了Rayleigh-Taylor不稳定和气动剪切力对液滴破碎的作用过程。破碎过程中,液滴在垂直来流方向上的最大无量纲宽度(Dmax/D0)约为4.5,无量纲破碎时间(tbU∞/D0)约为29.85。     

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82We691,9.6×10-4Oh3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。     

初始直径对单液滴破碎特性影响的试验

为了获得均匀横向气流中单液滴变形、破碎特性,采用高速摄像机对液滴的变形、破碎过程进行了测量.通过试验获得了液滴初始直径对液滴破碎模式、变形时间、变形与破碎总时间、无量纲索太尔平均直径的影响.在试验设计工况下所得结果表明:液滴破碎临界韦伯数随液滴初始直径的增加而增加;液滴初始直径增加使得液滴由单一的破碎模式转变成多种破碎模式共生的混合型破碎模式;相同韦伯数下,在初始直径尺寸较大的区域液滴变形时间、变形与破碎总时间都比尺寸较小的区域要大,变形时间随韦伯数增加呈先减小后不变的线性变化关系,而变形与破碎总时间随韦伯数增加呈先减小后增加再减小的线性变化关系;液滴初始直径对无量纲索太尔平均直径的影响能力要强于气液初始相对速度对其影响.      

喷嘴内湍流运动对火焰浮起长度影响的数值模拟

为考虑喷嘴内部湍流运动对燃油雾化和火焰浮起长度的影响,将喷嘴内部的湍流流动以权重的形式加入初次破碎模型中,并对二次破碎模型进行了修正。建立了完整的燃油雾化和燃烧的数学模型。通过与实验数据对比来验证燃油雾化模型的准确性,并讨论了喷嘴内湍流运动对燃油雾化过程的影响。结果表明,湍流运动会加快液滴破碎和蒸发的速率,从而减小燃油蒸气贯穿距。火焰浮起长度的计算采用本文建立的燃油雾化模型,成功计算了火焰浮起长度随氧气体积分数、气体密度、气体温度和入射压力变化的规律。同时发现在不同气体密度和氧气体积分数的工况下,喷嘴内部湍流运动对火焰浮起长度的影响基本保持不变,分别为9%和13%;入射压力和气体温度的升高会导致喷嘴内部湍流对火焰浮起长度的影响逐渐变大。      

变形破碎特性对SLD结冰过程影响

基于结冰过程数值模拟,针对过冷大水滴（SLD）条件下的变形破碎特性及其对成冰过程影响进行了研究。利用动态阻力计算模型,分析了水滴变形对水滴运动轨迹影响,采用基于泰勒类比理论的计算模型,研究了水滴破碎过程、子液滴粒径分布特性等。完成了NACA 0012翼型典型SLD结冰算例的数值分析,与参考文献计算结果和实验数据进行对比。结果表明:对于SLD结冰,变形和破碎主要改变了水滴运动轨迹和表面撞击水分布,使水滴撞击极限变小,在加入变形破碎特性的计算模型后,可以较好预测结冰极限位置和冰形轮廓,说明该方法对SLD变形破碎效应及其影响的模拟是可行和正确的。      

超声速气流中液体燃料雾化数值模拟

为了模拟超声速气流中液体射流的雾化,发展了一种液滴破碎混合模型。该模型将Kelvin-Helmhotz(K-H)模型和Rayleigh-Taylor(R-T)波动模型耦合在一起,首先计算R-T波增长模型,当R-T模型不能导致液滴破碎时,然后计算K-H波增长模型。利用该模型对来流Ma=1.94的超声速气流中的水射流的雾化进行了数值模拟。模拟结果再现了超声速气流中射流的雾化结构,计算得到的射流穿透深度、颗粒直径分布和速度分布与实验结果吻合较好。     

闪沸工况下过热度对水喷雾雾化效果的影响

针对空间及高空环境中航天器、空天飞行器热载荷不断提升而热耗散能力低下的严峻问题,研究水喷雾在低压闪沸工况（又称过热状态）下的雾化效果,雾化效果会直接影响到喷雾的冷却效果。首先,建立了单个液滴在低压环境下由于气泡生长、气动力造成的二次雾化（液滴破裂）模型以及沸腾传质传热模型。其次,通过拉格朗日法综合喷雾中所有液滴,利用MATLAB仿真计算不同过热度对喷雾雾化及液滴温度的影响。进而分析过热度对喷雾冷却效果的影响。计算结果表明,闪沸工况下雾化效果远优于过冷状态;液滴在闪沸工况下温度总会快速趋近饱和温度;过热度越高液滴的雾化效果越好,理论上能够带来更好的冷却效果。     

超声悬浮乙醇液滴气动破碎特性研究

采用超声波悬浮液滴的方式,选取直径分别为1.0mm、1.5mm和2.0mm的乙醇液滴为研究对象,在韦伯数We=15~90的范围内,对其在脉冲气流中的破碎特性进行了实验研究。利用高速摄像机拍摄破碎现象,分析了液滴的破碎模式与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增加,液滴先后产生袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。三种不同的破碎模式本质上都是袋状破碎——边缘袋状破碎与核心袋状破碎,低We数下主要为核心袋状破碎,高We数下主要为边缘袋状破碎。We数越大,破碎形成的袋直径越小,数量越多,破碎越剧烈。初始直径增大会使液滴转变破碎模式的临界We数增大。脉冲气流中乙醇液滴的迎风面运动遵循匀加速规律,其无量纲位移以We-1/2的比例缩小后是无量纲时间的简单二次函数。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段,一个是惯性控制阶段,另一个是毛细效应阶段。     

单液滴破碎流动机理试验研究

为了研究单液滴破碎内部流动机理,采用高速摄像机对不同流场分布中的液滴变形、破碎过程进行了捕获.基于试验中获得的现象,分析了液滴环境流场结构对液滴变形、破碎过程的影响,对液滴破碎流动机理进行了相关验证,并对其做了进一步完善.研究结果表明:气流的作用强度及液滴内、外部液体的流动特性决定了液滴不同破碎模式的发生;在气流作用下,在液滴的外部,液体沿气流方向的前、后驻点向垂直于气流方向的中心截面极点处运动;而在液滴的内部,为了克服液滴沿气流方向被压缩、沿垂直于气流方向伸展,在阻碍液滴变形内力的作用下,液体沿垂直于气流方向的上、下2极点向液滴中心位置处运动,使得液滴仍然保持球形.     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

液滴碰撞聚合模型及其在喷雾燃烧流场中的应用

基于平滑粒子流体动力学方法的思想，建立了新的描述液滴间碰撞和聚合过程的数学模型，将相互碰撞的液滴局限在其周围一定数目的液滴之间，并对液滴间碰撞的概率进行了重新定义。数值计算结果表明：模型从根本上摆脱了O’Rourke模型对计算网格的依赖性，大幅度提高了计算效率和精度。在此基础上考虑液滴的变形、破碎及相变过程，采用Euler—Lagrangian方法和有限化学反应速率模型，对RBCC引射模态进行了三维两相喷雾燃烧流场数值模拟，并和实验数据进行了对比。结果表明：在RBCC自由引射模态，二次燃料喷射位置的适当后移会使燃料利用率提高，引射比增加，引射火箭推力增加。