雾化过程的数值模拟研究综述

雾化过程的数值模拟主要有3类方法：简单工程模型、准直接数值模拟和多尺度仿真.对这3类方法的基本思想、优缺点和研究应用等情况进行了全面的总结.雾化过程的多尺度仿真,对大块液体的运动采用准直接数值模拟的思想,对小于网格尺度的小液滴采用模型来封闭.这种方法不仅能够反映雾化过程的主要特性,而且计算量适中,已经成为雾化过程数值模拟新的研究方向.     

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。     

液滴发生器均匀液滴生成过程的动态特性

为了提高液滴发生器生成均匀液滴的稳定性,研究了液滴生成过程的动态特性。在传统射流表面波不稳定性理论的基础上,考虑液滴发生器动态特性的影响,建立了组合动力学模型,确定了传递函数与传递矩阵,并就Re数与We数等对射流表面波增长率的影响以及喷嘴长径比对液滴生成过程动态特性的影响规律进行了分析。采用丙二醇作为液体工质进行了计算与试验校验,结果表明当生成的液滴速度大于19m/s时,组合动力学模型计算得到的最优无量纲波数较射流表面波不稳定性模型结果偏差超过6%;而对于液滴速度30m/s设计工况,两种模型计算结果偏差近10%,此时液滴发生器动态特性的影响不能忽略。     

超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程数值研究

采用Euler-Lagrange方法对来流马赫数为1.94的超声速气流中液体横向射流的气液相互作用过程进行数值研究。计算给出的射流穿透深度、液滴Sauter平均直径(SMD)及液滴速度分布均与实验吻合较好。仿真结果较详细地揭示液体射流喷雾与气流之间的强烈相互作用过程。受液雾影响,射流前形成较强激波,气流依次经过激波及液雾区域,气流速度存在两次下降过程。计算结果揭示,超声速来流可以与射流的液滴轨迹相交,气流经液雾前沿进入液雾区域后,流向往壁面偏折。本文首次发现并提出,由于气液相互作用诱导形成两组反向反转漩涡对,这对于理解两相混合过程具有重要意义。气液相对滑移速度的分析表明,液滴在穿透自由来流并开始转向时受气流作用最为显著,完成转向后气液相互作用逐渐减弱。     

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

柱坐标系下准三维液滴撞击壁面的数值分析

液滴撞击壁面现象广泛存在于自然界与工程领域。为研究其运动特性,本文基于柱坐标系与VOF模型,对准三维液滴撞击固体壁面过程进行模拟。该方法实现了三维到二维的合理简化,模拟与实验结果较为吻合,铺展系数约为2.1。在此基础上,本文对单液滴撞击固体壁面过程进行了多工况模拟,模拟表明液滴在速度和直径较大情况下铺展系数较大。相反,在表面张力系数和接触角较大情况下铺展系数较小。最后,对双液滴相继撞击壁面的过程进行了模拟,发现液滴在铺展过程中出现了二次铺展现象,并探究了速度和液滴中心间距对铺展特性的影响。结果表明,双液滴在速度和液滴间距较大的情况下铺展系数较大。     

超声悬浮乙醇液滴气动变形与运动特性研究

利用超声悬浮的方法为液滴提供静止、无接触初始条件,用高速摄影机拍摄液滴,研究不同直径乙醇液滴在Weber数5~90,脉冲气流冲击作用下的变形与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增大,液滴先后产生常见的袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。不同破碎模式在本质上都是袋状破碎,包括边缘环袋破碎与液核多袋破碎。Weber数越大,边缘环袋破碎作用越弱,液核多袋破碎越占据主导地位。乙醇液滴的迎风面顶点纵向运动遵循匀加速规律,其无量纲位移与无量纲时间符合二次函数关系式。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;另一个是毛细效应控制阶段。液滴未破碎时,其横向扩展无量纲直径与上述无量纲位移符合二次函数关系式,而破碎后二次液滴的无量纲扩散直径与毛细时间则符合线性关系式。     

基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则（英文）

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究，采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先，研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程，通过分析液滴的垂直速度和横向速度，明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后，系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响，重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

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。