重力場與微重力場下不可壓縮氣液兩相流研究.pdf

1、氣液兩相流是一種典型的多相流,屬于工業(yè)過程中極其重要的一類問題。如微管道、微電機械系統(tǒng)等設(shè)備中存在著大量包含液滴變形與破碎的氣液兩相流問題,而裝置內(nèi)液滴的運動行為對于設(shè)備的性能具有重要影響。因此,為了更好地操作與控制這些設(shè)備,有必要對液滴的流變、表面和動力學(xué)特征進行深入的研究。
　　 具有自由表面的氣液兩相流問題的一個重要特征是氣液兩相間存在著隨時間變化的界面。在這類問題的數(shù)值模擬中最核心的問題就是界面的精確描述。近年來,對氣液

2、兩相間自由界面的追蹤與模擬問題的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外熱門研究課題之一。國內(nèi)外對于液滴的流動問題雖然已進行了大量研究,但均集中于對重力場下等溫液滴的動力學(xué)研究。國內(nèi)外對于微重力場中液滴的熱毛細遷移的研究也均未考慮重力顫動的影響。
　　 本研究建立了一種適用于氣液兩相流問題的數(shù)值模型與計算方法及計算程序,研究了重力場中等溫與非等溫液滴變形的力學(xué)特征,同時考慮重力顫動的影響效果研究了微重力場中液滴的熱毛細遷移現(xiàn)象。在交錯網(wǎng)格上耦合求解N

3、avier-Stokes方程與能量守恒方程,采用Level Set法跟蹤與模擬氣液界面的運動與變形,并對Level Set函數(shù)的再初期化、質(zhì)量守恒等問題進行了較深入的研究。在對計算網(wǎng)格和計算域獨立性及計算程序進行驗證的基礎(chǔ)上,討論了重力場中不同密度比、粘度比、Reynolds數(shù)、Weber數(shù)以及Rayleigh數(shù)對液滴變形、運動和溫度分布等的影響；在微重力場中,分析了不同密度比、粘度比、Marangoni數(shù)和Capillary數(shù)對液滴變

4、形、運動和溫度場的影響。
　　 研究結(jié)果表明:(1)通過質(zhì)量補償改進,大大改善了Level Set法的質(zhì)量守恒性,質(zhì)量損失率小于0.012％；(2)重力場下密度比主要影響液滴下落速度,粘度比主要影響溫度場分布,Re數(shù)主要影響速度場,We數(shù)主要影響液滴形狀；(3)微重力場中密度比越大對流愈強,且液滴速度有明顯的波動,粘度比越大速度梯度越大。當自由表面與溫度梯度垂直時Marangoni數(shù)越大液滴運動越快,而自由表面與溫度梯度平行時M