液滴破碎动力学特性的研究.doc

液滴破碎动力学特性的研究发动机喷雾是一类多相、多尺度、强烈非线性的物理过程,包含射流的初级雾化、液滴的二次破碎、碰撞聚合、撞壁和液滴蒸发等一系列基本物理现象。这些微观基本物理现象决定了喷雾的宏观特性。因此,认识这些微观过程的物理机制对实现发动机高效、清洁燃烧至关重要。本课题针对单液滴破碎动力学开展了高精度的数值模拟和理论研究,并考虑到喷雾是液滴群的行为,将单液滴破碎研究进一步拓展到液滴对的相互作用。本研究基于OpenFOAM开源程序,加入了简化耦合的VOF和LS多相流模型（S-CLSVOF）,并采用多个典型的两相流问题对S-CLSVOF耦合Navier-Stokes（N-S）方程的数值方法进行了测试,发现该数值模型能够以较高精度捕捉界面位置和流动;结合自适应网格加密技术对多种液滴破碎模式进行了实验验证和网格独立性分析,结果表明,该数值模型可有效地预测复杂的液滴破碎模式。基于此数值方法,开展了液滴基本破碎模式的模拟研究。结果表明,液滴外缘流动分离产生的回流区域决定着液滴的拽力系数。具体而言,液滴流动分离越强,产生的回流区域越大,从而拽力系数也越大。液-气密度比对液滴破碎的影响是非单调的,依赖于液滴所处的工况。在高不稳定条件下（We>200）,低密度比导致更高的变形速率和更大尺度的破碎结构,而高密度比导致更为细小的破碎结构。针对液滴拉伸变薄不稳定性与密度比的内在联系,建立了定性的理论关系。该关系表明,液滴在拉伸过程中的厚度与气流速度、液滴加速度和密度比紧密相关。在此基础上,进一步研究了液滴破碎模式间的转换过程。鉴于高Oh数下的液滴破碎转换实验数据的匮乏,本文采用数值模拟方法研究了变形向袋式破碎,袋式破碎向袋式-雄蕊破碎的转换过程,并将Oh数大幅拓展至2。基于模拟结果,进一步发展了Rayleigh-Taylor不稳定理论,改进了破碎模式转换的理论模型。结果表明,扁平态液滴直径与RT最不稳定波长的比值(D_f/λ_RT)直接影响破碎模式转换行为。发生转换时,D_f/D₀几乎独立于Oh数（高Oh数对应高We数）,D_f/D₀与D_f/λ_RT均大于一定的临界值才能发生破碎模式的转换;低Oh数下（Oh<0.1）,袋式破碎和袋式-雄蕊破碎模式发生的We数分别约为9和15。利用解析解λ_RT=2π（3σ）/（ρ₁a）（1/2）计算的D_f/λ_RT值与本文理论预测模型吻合良好;本文理论模型同时考虑了表面张力和粘性力对RT不稳定性的影响,在宽Oh数范围内（0.001-2）对转换We数表现出更高的预测精度。考虑到喷雾本质上是液滴群的行为,包含大量的液滴间相互作用,本文针对不同破碎模式和液滴对的相对空间位置,研究了液滴形态和流场结构的相互作用。结果表明,空间位置的不同导致液滴对的相互影响不同。具体而言,并行液滴对的干涉主要为间隙加速气流与融合回流区域的相互剪切。较小的中心距（L=2D₀、4D₀）下液滴对之间相互排斥,而较大的中心距（L=6D₀、8D₀）下液滴对相互吸引;对串行液滴对而言,中心距越近,下游液滴受到上游液滴回流区的影响越大,导致其拽力系数越低。上游液滴则因回流区径向尺寸增加而导致较高的拽力系数;而倾斜液滴对表现出更为复杂的相互作用:在中等中心距离（L=4D₀、6D₀）下,由于流场结构的激烈竞争,液滴对之间相互作用较为均衡,二者的拽力系数接近或低于单液滴工况。较大（L=8D₀）的中心距离下,上游液滴拽力系数大于单液滴工况,而下游液滴小于单液滴工况,增加We数会加大差异。较小（L=2D₀）的中心距下,液滴对的流场结构发展受限,导致变形后期拽力系数显著小于单液滴工况。