超聲速氣流中液體橫向射流一次霧化的實(shí)驗(yàn)與大渦模擬研究.pdf

1、本論文以超聲速氣流中的一次霧化為研究對(duì)象。研究的方法分為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)部分。
　　實(shí)驗(yàn)研究方面，首先，基于光學(xué)拍攝所得的橫向射流瞬時(shí)圖像對(duì)橫向射流的霧化過程進(jìn)行了直觀的認(rèn)識(shí)。橫向射流的霧化分為液柱破碎為液塊、液塊破碎為液滴、液滴進(jìn)行二次霧化這三個(gè)過程。在液柱破碎和液塊破碎的過程中觀察到了大量的表面波的作用，同時(shí)伴有在強(qiáng)力氣動(dòng)力作用下的液滴直接剝離液面。在射流迎風(fēng)面所觀察到的表面波結(jié)構(gòu)由大量的不同波長(zhǎng)的表面波所組成，而其總的

2、發(fā)展趨勢(shì)是沿著射流方向波長(zhǎng)不斷增長(zhǎng)。當(dāng)擾動(dòng)波發(fā)展到一定程度，射流液柱將會(huì)在波谷處破碎形成液塊。然后基于對(duì)橫向射流霧化物理過程的認(rèn)識(shí)，采用射流夾角與壁面壓力作為表征橫向射流霧化特性的參數(shù)針對(duì)噴前壓力、噴孔直徑和來流總溫三個(gè)因素分析了其對(duì)超聲速流條件下橫向射流霧化的影響。通過分析比較，得到射流的穿透能力與噴前壓力和噴注孔徑呈正相關(guān)關(guān)系。
　　數(shù)值模擬方面，采用了基于CLSVOF的大渦模擬方法。該數(shù)值模擬方法的兩個(gè)核心部分是 CLSVO

3、F界面追蹤方法和可壓/不可壓耦合的兩相大渦模擬。其中CLSVOF方法結(jié)合了Level-Set和Volume Of Fluid兩個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具VOF方法的質(zhì)量守恒性和 LS方法界面重構(gòu)和簡(jiǎn)便性。實(shí)現(xiàn)可壓/不可壓耦合的兩相大渦模擬方法最關(guān)鍵的是用虛擬流體方法處理表面張力以及去散度化的界面速度重構(gòu)解決數(shù)值破碎的問題，并且通過提高速度外延的精度減少了高We數(shù)計(jì)算時(shí)液體產(chǎn)生的非物理破碎?；谒l(fā)展的數(shù)值方法，利用超聲速氣流中液滴破碎作為驗(yàn)

4、證算例來檢驗(yàn)所發(fā)展數(shù)值方法在求解超聲速來流條件下液體破碎的可行性和可靠性。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了不同破碎模式的定性比較以及液滴破碎分布的定量比較，并且將表面波動(dòng)波長(zhǎng)的計(jì)算值與理論值進(jìn)行了比較。通過驗(yàn)證算例，證明了所發(fā)展方法的可靠性和正確性。驗(yàn)證了數(shù)值方法后，以來流Ma數(shù)2.1，We數(shù)500，動(dòng)壓比10的工況為基準(zhǔn)工況，展開了針對(duì)Ma數(shù)、We數(shù)以及動(dòng)壓比這三個(gè)常用量作為研究超聲速氣流中一次霧化的三個(gè)方面。針對(duì)We的研究進(jìn)行了100、3

5、00、500、700、900、1100六組工況的對(duì)比。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同超聲速氣流中液滴破碎的情況一樣，We影響著橫向射流的破碎形態(tài)，We數(shù)越大在液體表面所形成的不穩(wěn)定波動(dòng)越小。通過理論公式計(jì)算的波長(zhǎng)與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比證明了沿射流方向的表面波動(dòng)機(jī)理可由 Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性來進(jìn)行解釋，而沿展向的波動(dòng)的主要機(jī)理不是 Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性。通過對(duì)液體射流破碎分布和頻率特性的研究發(fā)現(xiàn)，We數(shù)主要影響液體