用VOF方法数值计算液滴燃烧

引 言 液体燃料通过喷射进入内燃机的汽缸或喷气发动机的透平中燃烧产生热能.近年来能源危机加剧及减排CO2以保护环境意识提高,促使研究者们采用新的技术提高化石燃料的燃烧效率,其中对单个液滴燃烧物理过程的深刻了解是改进喷射燃烧为特征的内燃机械能量利用效率的基本.对液滴燃烧过程的数值及实验研究已经有几十年.最早的研究者有Godsave[1]、Spalding[2]等,他们基于常物性、球对称及类稳态假设,对液滴在静止空气中的燃烧过程建立了基本数学描述,并得到了著名的"d2定律",即液滴直径平方随时间线性减小,用公式表示为dd2/dt=k,k为燃烧速率常数.     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明：随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

气泡上升过程中尾流演变的VOF数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法对静止水中气泡的自由上升过程进行了数值模拟,研究了初始直径不同的气泡自由上升时尾流的演变过程。研究发现气泡自由上升过程中其尾流有对称脱落、过渡态和周期性脱落三种运动状态,其中过渡态是介于对称脱落和周期性脱落之间的非稳定性脱落。气泡上升过程中其形状由球形转变为椭球形。尾流的对称脱落发生在气泡处于椭球形状且沿直线上升的过程;随着气泡的继续上升,当气泡的长轴与水平方向产生夹角时,尾流就会由对称脱落转变为过渡态（非稳定性脱落）;最终,尾流会转变为周期性脱落。2.4 ~3.7 mm气泡尾流运动状态发生转变的临界Reynolds数不同,且随气泡初始直径的增大而增加。直径为2.4 ~3.7 mm气泡的尾流周期性脱落的频率为31 ~39 Hz,且频率随气泡直径的增大而减小。     

微管液滴形成模拟及关键阶段分析

在轴对称坐标系下,采用有限体积法求解液滴形成的N-S方程,运用Ansys 13.0中的VOF(Volume of Fluid)方法对重力作用下,流体在微管口液滴形成过程进行数值模拟,采用PLIC(Piecewise Linear Interface Construction)的几何重构方法成功捕捉液滴形成、变化与脱落过程的气液交界面,得到与实验相一致的研究结果,表明建模方法可行。分析了速度对液滴运动过程的影响,在颈缩阶段,入流速度决定流体内部速度,轴线压力呈线性增加趋势;断裂阶段,重力决定流体内部速度,轴线压力与速度波动趋势一致,最后得到无量纲数A(液滴完整长度与管内径比)和We的关联式A 8.611 We 2.98。     

剪切变稀流体中液滴运动的研究

采用VOF方法,基于非牛顿流体的流变模型对剪切变稀流体中液滴的运动进行数值模拟.结果发现剪切变稀流体中液滴的上升较稳定,上升速度前期增长较快,后期趋于平缓,轨迹呈直线型;单液滴初始半径r越大,上升过程中产生的形变越明显;溶液的稠度指数k越大,液滴上升的速度v越小;幂律指数n越大,液滴上升的速度v越大,k的作用效果比n效...     

低流量微管末端液滴形成及破碎的数值模拟

采用数值模拟的方法,对在重力作用下微管末端液滴缓慢形成及脱落的动力学过程进行分析和研究.采用有限体积法在轴对称坐标系下求解液滴形成与破碎过程的Navier-Stokes方程,采用VOF(volume of fluid)方法以及基于PLIC(piecewise-linear interface construction)...     

玻璃粉料熔融球化过程的模拟研究

采用数值模拟方法,对单个熔融玻璃粉料颗粒的恒温球化过程进行了模拟研究.应用FLUENT软件,结合流体体积法追踪颗粒球化过程的液滴界面,模拟得到了熔融玻璃粉料颗粒在表面张力作用下自然球化的演化过程.提出了以熔融液滴的表面积变化来表征球化进程,分析了恒温条件下,熔融液滴的初始球形度、体积、粘度、表面张力因素对液滴球化时间的影响,并根据模拟结果拟合得到了特征球化时间的经验公式.     

液滴碰撞球形凹曲面复合level set-VOF法的数值分析

采用复合水平集法和流体体积法建立液滴冲击球形凹曲面的数值模型,通过分析计算结果揭示了液滴撞壁流动及破碎机制。研究表明:液滴的撞壁特性与液滴碰撞速度密切相关;液滴凹曲面撞壁与平面撞壁相比,铺展系数较小,回弹射流出现时间超前,回弹射流速度较大。量纲1分析得出:液滴的最大铺展系数和相对最大铺展速度与Reynolds数近似幂递增,液滴的相对最大射流长度与Reynolds数近似对数递增,液滴的相对最大射流速度与Reynolds数近似幂递减。对比分析现有液滴撞壁最大铺展系数理论解析模型,提出了液滴凹曲面撞壁最大铺展系数解析模型的发展方向。     

三维微管液滴形成及破碎的数值模拟

基于多相流模型的VOF方法求解三维坐标下微管末端液滴形成过程,参考丙三醇溶液,分别探讨不同表面张力、密度、射流速度下液滴形成过程,和液滴断裂长度、形成时间、主液滴直径受其影响情况,并分析断裂阶段轴线上压力和轴向速度分布。     

基于Fluent的海底原油管道溢油扩散特性研究

海底原油管道的泄漏会对自然生态系统带来巨大破坏,快速获得溢油扩散路径、油滴分布及泄漏浓度等参数对减少损失至关重要.基于此,利用计算流体力学软件Fluent建立二维有风模型对水下溢油行为规律进行研究,并将该模型模拟结果与ZHU的实验值对比证实了模型准确性.模型选用VOF方法(volume of fluid method),结合标准k-ε湍流方程,研究了溢油速度、破口尺寸、环境水深对溢油过程的影响.结果表明:随着溢油速度、破口尺寸的增大,相同时间内溢油扩散范围及海域内体积浓度增大,到达海平面时间减小.泄漏点处水深增大对溢油的扩散范围影响不大,但会延迟溢油达到海面的时间,降低海域内体积浓度.最后通过无量纲分析法给出不同工况下溢油横向漂移距离计算公式,为处理溢油事故提供可靠依据.     

基于离散元方法的金属粉末铺粉动力学研究

增材制造技术在航空航天、医疗技术及运输和能源中的应用得到快速增长,其常用方式之一是基于粉末加工。该技术主要瓶颈之一往往与铺粉过程形成的粉层质量有关,颗粒动力学机制尚不清楚,且受铺粉装置的类型和颗粒的黏附性影响很大。本工作基于实验测量和表征的单个颗粒的真实物理和力学参数,采用离散元方法对增材制造常用气雾化金属粉末的铺粉过程进行了数值模拟分析,比较了刮刀和辊子两种铺粉装置中粉堆内颗粒速度和轨迹及最终铺粉层的质量,并分析了这些参数对颗粒黏附表面能的敏感程度。结果表明,相比于刮刀铺粉,在辊子铺粉过程中,由于辊子旋转运动的作用,粉堆内部存在多条拱形速度带和颗粒对流,且在形成铺粉层之前,颗粒需要经历爬坡上升和下坡滑落两个过程,运动轨迹更长。另外,两种铺粉装置中铺粉层颗粒总体积均随颗粒表面能的增加而降低,但与刮刀铺粉相比,辊子铺粉中铺粉层颗粒总体积小,且对颗粒表面能更加敏感。铺粉装置类型和颗粒黏附性对铺粉层质量的影响可以归因为铺粉层的形成机制,即颗粒从粉堆中进入铺粉间隙的难易程度及铺粉间隙中刮刀或辊子对颗粒的拖曳作用。     

波纹板表面流体流动特性的数值模拟

利用计算流体动力学CFD商业软件FLUENT,以多相流模型中的VOF模拟为基础,建立了波纹板式的计算模型,考察了液体流速、板面结构、液体物性对液膜流动的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着流速的增加,液膜的厚度和流动时间都减小;波纹板结构直接影响液膜流动,凹槽较浅的波纹板有利于连续液膜的产生,波谷滞留液内发生液体回流形成漩涡;液体的表面张力直接影响连续液膜的产生和断裂,表面张力、黏度、流量共同决定了液膜的厚度和相位差。     

外加声场微小流化床中A类与C类颗粒流化的数值模拟

文章基于多相流欧拉模型,应用计算流体动力学（CFD）软件Fluent 6.3,在有无外加声场的情况下,分别对A类与C类颗粒在微小流化床（内径10mm,床高60 mm）中的颗粒分布进行了数值模拟,得到了一系列的固含率云图.模拟结果发现,在通入气体的初始阶段,C类颗粒流化出现了活塞流现象;加上声场后,上述现象消失.无声场时A类颗粒床层有较大气泡;引入声场后气泡变小.引入声场使得C类颗粒与A类颗粒有相似的固含率云图.     

齿边浮阀塔内气相流场的数值模拟和分析

A three-dimensional computational fluid dynamics （CFD） model for gas flow through a serrated valve tray was presented. The flow field, as well as the dry-pressure drop of the valve under the full-opening condition was simulated based on the proposed model by using FLUENT 6.0 software. Compared with the values of dry-pressure dro.p in different turbulent models, the.simulated.results using RNG κ-ε model are in reasonable agreement with experimental data, indicating that RNG κ-ε model is suitable in simulating gas flow through the serrated valve tray. Then the CFD model combining RNG κ-ε model was used to study the three-dimensional gas flow through the considered serrated valve tray. The simulated results showed that various eddies existed on the serrated valve tray, and both the eddy and the non-eddy areas were nearly equal. The existence of addendum can decrease the eddy area caused by gas passing through the lateral outlet slots. The size of eddies can be reduced by optimizing the distance between valves.     

电场作用下双液滴聚合特性

乳状液破乳分离是目前高含水期油田开采过程中难以解决的技术问题,电场破乳方法具有高效清洁等优点,是解决该问题的有效手段。采用数值模拟与试验验证相结合的方法研究电脱水过程中阶跃、斜坡电场诱导下双液滴的聚合与分离特性。结果表明,在斜坡电场作用下,界面张力引起的泵吸作用大于电场力引起的颈缩作用,有利于液滴聚并,且液滴发生二次乳化现象的概率降低。而施加阶跃电场时,一定范围内能够达到液滴破乳的目的,但液滴在聚并过程中易发生二次乳化现象。从电场对连续相影响的角度分析发现,阶跃电场不仅对液滴具有驱动作用,对连续相的影响也较为明显,阶跃电场会增大连续相内湍流作用,不利于电脱水过程。因此,采用斜坡信号诱导液滴聚合能够降低二次乳化现象发生的概率。     

某微车缓冲块静态特性有限元分析与实验对比

为了研究设计的缓冲块承受的载荷是否满足悬架匹配要求,利用abaqus/standard建立缓冲块的有限元模型,根据硬度和缓冲块在上极限的压缩量,反求其支反力,研究设计的缓冲块是否符合设计要求,为缓冲块的设计提供一种指导方向,并通过实验进行实际模型的验证,从而缩短产品的开发周期,节约成本。     

基于非线性动力学的锂沉积形貌模拟与预测

金属锂具有极高的理论能量密度,是新一代锂电池中最有潜力的负极材料之一。金属锂沉积时容易形成枝晶,极大影响了锂金属电池的安全性与使用寿命。但由于金属锂性质活泼,缺乏锂电极/电解液界面原位表征方法,锂枝晶生长机制尚不明确。通过有限元方法,基于非线性电极过程动力学,以三次电流模型定量研究了电极/电解液界面行为,并分析不同过程参数对表面电流的影响。结果表明,电极/电解质界面的浓度、电场差异是枝晶生长的主要原因,更大的扩散系数有利于提高界面浓度均匀性,更小的交换电流密度有利于减弱界面反应的敏感性。存在电化学极化区间是均匀沉积的必要条件,电化学极化区间越宽,均匀沉积操作窗口越宽。通过极化曲线可以判断体系是否具有均匀沉积的倾向。加深了对锂电极/电解液界面的电沉积过程的理解,对锂负极保护研究具有指导性意义。     

Morphology prediction of lithium plating by finite element modeling and simulations based on non-linear kinetics

Lithium metal has a very high theoretical energy density and is one of the most promising anode materials for a new generation of lithium batteries. It is easy to form dendrites during the deposition of lithium metal, which greatly affects the safety and service life of lithium metal batteries. Mechanism of dendrite propagation in lithium metal batteries (LMB) is still to be fundamentally described. Herein, we studied the effects of electrochemical parameters on the behavior of lithium plating at the electrode/electrolyte interface using a tertiary current model by finite-element methods. The results show that dendrite growth is intrinsically influenced by differences in concentration and potential. A higher diffusion coefficient (D_e) of Li ion in electrolyte is effective to improve uniformity of local concentration and a smaller exchange current density (i⁰) is essential for reducing sensitivity of interface reaction. Activation polarization is beneficial for uniform plating of lithium. Thus, the polarization curve is extremely important to determine whether lithium deposits uniformly or not. This work results in a new understanding of principles for dendrite growth, and is expected to lead to new insights on strategies for dendrite suppression.     

颗粒负荷对小型旋风器性能影响的模拟分析

为探究颗粒负荷对小型旋风器内气固两相流动的影响,基于雷诺应力模型（RSM）和欧拉-欧拉方法的混合流模型（Mixture）进行气体-颗粒、颗粒-颗粒的相间耦合计算。采用粒径为0.5～5μm的颗粒组在40L/min、60L/min和80L/min的入口流量下模拟0~3kg/m³的5种不同颗粒浓度工况,通过对比旋风器内纯气相流场和颗粒负荷流场的不同,研究了颗粒的存在对流场的影响;探究了入口流量和浓度变化对旋风器内分离效率和压降特性的影响。基于模型有效性验证的数值模拟结果表明：较高颗粒浓度负荷使旋风器内的气相流场发生显著变化。随着入口流量的增大,旋风器的分离效率先增大后减小,压降呈非线性增大。随着颗粒浓度的增大,旋风器的分离效率逐渐增大,压降先减小后增大。