基于VOF方法的弹簧喷嘴雾化数值模拟研究

弹簧喷嘴在除氧器中广泛应用,其雾化质量显著地影响着传热传质速率。采用欧拉VOF方法追踪气液两相交界面的动力学特性,研究喷嘴出口处液膜破裂和液滴的形成过程。结果表明,射流一开始呈连续的液膜,液膜开始破碎位置在垂直位移约20 cm左右,破碎后液滴的粒径和破碎时液膜厚度很接近。液膜在气体剪切力和表面张力的作用下,液膜表面首先产生褶皱,继而产生一些不规则分布的孔洞,然后孔洞的数量和尺寸不断增加,最后导致液膜撕裂,产生小液柱或液滴。     

具有线性温度分布的射流失稳研究

基于线性稳定性理论,针对具有线性温度分布的液体射流分裂过程,建立了射流扰动控制方程,给出了扰动方程在气/液分界面上应满足的边界条件,推导出了描述存在温度扰动的圆柱形液体射流自由表面三维扰动发展的色散关系;模型中同时考虑了空化气泡、射流周围气体的旋转以及射流和周围气体的可压缩性;对建立的数学模型及相应的求解方法进行了验证.在此基础上,分析了非轴对称扰动下具有线性温度分布的射流表面扰动波数和扰动增长率的演化,讨论了存在温度扰动时,空化气泡、气体旋转以及射流和气体可压缩性对射流稳定性作用的变化.结果表明:温度扰动的存在不仅会对液体射流稳定性产生较大影响,使得最大扰动增长率明显增大,扰动波波数范围显著拓宽,而且还会对空化气泡、气体旋转以及射流和气体可压缩性对射流稳定性的作用产生一定的影响.     

可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化机理

建立了可压缩气体中的三维黏性液体射流雾化数学模型,在射流雾化过程中起控制作用的参数主要有气液速度、气液密度、气液界面表面张力、液体黏性、喷嘴直径及音速.采用线性空间稳定性分析方法详细分析了这些参数在高速射流雾化过程中不稳定性的作用.结果是：增加液体射流速度、气体密度及喷嘴直径;减少液体密度、液体黏性及表面张力,可使射流不稳定性增强.此外,当气流与液体射流反向时增加气体流速也可以使流动不稳定性增强,但当气流与液体射流同向时结果相反.气体可压缩性的增加使流动变得不稳定,但它的影响是很小的.     

空化泡表面附近马兰戈尼力的数值模拟研究

由于表面张力与温度有关,当温度不一致时,气液表面附近将产生由表面张力引起的马兰戈尼对流.2.5％的正戊醇水溶液的表面张力随温度增加而增大的现象较为明显,文中模拟研究了超声波在2.5％的正戊醇水溶液和纯水中产生的空化泡的气液界面附近的马兰戈尼力,发现在空化泡膨胀阶段,2.5％的正戊醇水溶液中的马兰戈尼力要远远大于纯水中的...     

幂律流体液膜射流的时间不稳定性分析（英文）

基于时间模式不稳定性理论,研究了无黏静止气体中二维幂律流体液膜射流不稳定过程.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,通过对非对称模式和对称模式的色散方程的推导和求解,研究了广义雷诺数、韦伯数、气/液密度比以及幂律指数对于液膜破碎的影响.结果表明:在两种模式下,不论剪切变稀流体还是剪切变稠流体,液体的黏性和表面张力都会抑制液膜破碎,而气/液相互作用力则促进液膜破碎.而且,幂律指数越小,液膜射流越容易破碎.同时,尽管非对称模式在液膜破碎过程总是占据主导地位,但是当两种模式的最大扰动增长率的量级同阶时,对称模式对于液膜破碎也起着重要作用.     

基于可压缩双流体模型对射流破碎的研究

在OpenFOAM框架下,基于可压缩双流体模型,应用界面压缩法捕捉气液界面,采用大涡模型处理高速射流中的湍流流动,验证了文献中锥形喷嘴的质量流量和喷雾动量通量实验数据,数值结果和实验数据吻合较好,并在此基础上对射流破碎的机理进行了分析.为分析喷嘴几何结构对破碎的影响,修改ECN spray D喷嘴的出口直径,得到圆柱形喷嘴,结果发现圆柱形喷嘴的液柱破碎较弱,液核长度较长,因此喷嘴具有一定的锥度可以促进喷嘴出口的射流破碎.     

基于欧拉多流体模型对喷嘴内流和射流破碎的研究

在Open FOAM的框架下,采用多流体模型和大涡模拟方法研究不同背压对喷嘴内流和射流破碎的影响.利用已修正的空化模型考虑了空化现象,利用界面压缩法对两相界面进行捕捉,进而分析燃油的一次破碎过程.结果表明:降低背压有利于喷嘴内部空化的形成与发展,但会导致喷嘴喉部有效流通面积减小,流动阻力增加,质量流量降低.射流破碎中气/液相界面处气/液两相存在很大的速度差,导致产生很强的阻力,大大促进了一次破碎过程中主喷雾区和蘑菇头的破碎.背压越高,空气密度越大,则燃油受到的阻力越大,液柱破碎越剧烈且射流破碎角越大.因此,同时提高喷射压力和背压可以促进燃油与空气的混合,也可以有效抑制空化来避免空蚀现象以及流量系数降低,从而延长喷嘴的使用寿命.     

超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,可压缩流动求解器求解气相,不可压缩求解器求解液相.结果表明:脉冲射流的表面破碎和液柱破碎都得到了增强,射流破碎长度显著缩短,在所研究的脉冲频率方案下,脉冲引起的不稳定性会替代Rayleigh-Taylor不稳定性,主导射流一次破碎;由于射流速度的脉动,脉冲射流的穿透深度相比于稳态射流可以提高20%,尾迹区宽度可以扩大25%,展现了更好的雾化和混合效果.     

幂律流体气流雾化射流不稳定性分析

基于射流不稳定性理论系统研究了一个圆柱形可压缩气流喷入有限厚度的幂律流体的时间模式不稳定性.在对幂律流体本构方程线性近似的基础上,推导了表征轴对称模式幂律流体气流雾化射流不稳定性的色散方程.通过数值计算,分析了液相雷诺数、韦伯数、气/液密度比和速度比、气流马赫数以及幂律指数对于剪切变稀流体与剪切变稠流体两种情形气流雾化射流的不稳定性影响.结果表明:无论是剪切变稀情形还是剪切变稠情形,液体的黏性力总是抑制其不稳定性,减小幂律指数均可促进幂律流体气流雾化射流的不稳定性.随着气流速度的不断增大,由气/液相互运动导致的剪切波逐渐主导幂律流体气流雾化射流的不稳定性与破碎过程.当液相的参数保持不变,增大气流密度、气流速度以及气流可压缩性均可有效地促进幂律流体气流射流的破碎.空气动力是促进幂律流体射流破碎的有效措施.同时,对于一个小韦伯数,表面张力促进气体射流不稳定性;而随着韦伯数增大到临界值后,表面张力将会逐渐抑制其不稳定性.     

高压环境下液氧/氢的气-液平衡及其物理属性研究

在考虑氢气溶解的条件下,运用SRK状态方程计算了液氧/氢在超临界环境下达到气-液平衡时氢氧组分在各相中的摩尔分数以及液氧的蒸发热随液氧表面温度的变化情况;根据气-液平衡时各组分在各相中的摩尔分数,以甲烷为参比态气体,运用扩展对比状态理论(ECST)计算了气相及液相氢氧混合物的pVT属性、黏性及导热系数。结果表明,在高压环境下,有一部分氢气溶解于液氧中,且随着温度和压强的增加其溶解度增大;若考虑氢气溶解,则氢氧混合物的临界温度低于氧的临界温度且随环境压强的增加而减小,这时液氧的蒸发热小于其蒸发潜热,也小于不考虑氢气溶解所得蒸发热。当氢氧混合物达到气液平衡状态时,液相混合物的黏性及导热系数随温度升高逐渐减小,气相混合物的黏性及导热系数随温度升高逐渐增加,最终气相及液相混合物的传输属性在其临界点附近几乎相同。     

同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流形态研究

采用射流线性稳定性分析方法,考虑液体黏性、周围气流的同轴旋转运动以及可压缩性的条件下,建立了描述同轴旋转可压缩气流中黏性液体射流的数学模型,并进行了验证,研究了气流量纲为1旋转强度以及流体物性对液体射流不稳定形态的影响．研究表明：周围气流的旋转速度较小时,对射流起促稳作用,继续增大气流量纲为1旋转强度,开始对射流起促分裂作用;且随着气流旋转强度的增大,射流扰动沿周向方向发展,射流柱变的高度不对称．在研究参数范围内,气体可压缩性和气/液密度比均能促进射流的失稳,并会影响射流空间形态,尤其是在周向方向上能够改变射流的占优模式,增强射流的不对称性;液体黏性以及表面张力对射流均具有增强稳定性的作用．     

实际射流参数对加热条件下液体燃料射流不稳定性的影响

利用线性热不稳定性理论,对黏性液体射入高温气体介质所对应的色散方程进行了数值求解．利用所得到的计算结果,研究了加热条件下射流速度、气液密度比、液体黏度、温度梯度及液体种类等实际射流参数对射流最大扰动增长率及占优波数的影响规律．研究结果表明：对于加热条件下Reyleigh模式的液体射流,气液密度比、温度梯度是射流破碎的失稳因素,而射流速度、液体黏度则是液体射流破碎的促稳因素;对于Taylor模式的液体射流,射流速度、温度梯度、气液密度比是射流破碎的失稳因素,而液体黏度是液体射流破碎的促稳因素．研究结果同时证明了液体种类的改变对射流不稳定性的影响是多种因素共同作用的结果．     

水平管外降膜蒸发传热特性的数值模拟

为深入研究液膜内的微观传热机理,对水平管外降膜蒸发的传热特性进行了数值模拟,获得了液膜厚度、液膜流动速度和传热系数等热力参数在液膜内的分布特性。通过与实验数据的对比验证了数学模型的准确性。研究结果表明:在饱和蒸发温度62℃、传热温差2.8℃、管外径25.4mm和液膜入口速度0.071~0.15 m/s条件下,沿圆周方向,液膜厚度减小,传热系数增加,直至达到液膜热力发展区,膜厚和传热系数趋于稳定;受液膜内温度变化的影响,液膜内的粘度、表面张力和导热系数的变化对液膜传热特性产生显著影响。     

低排放燃烧室空气雾化喷嘴射流破碎特性研究

针对当前广泛应用于低排放燃气轮机燃烧室中的空气雾化喷嘴,采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和流体体积法（Volume of Fluid,VOF）研究了其在流动模糊（Flow Blurring,FB）和流动聚焦（Flow Focusing,FF）模式下射流一次破碎过程的差异。结果表明：两种模式的射流一次破碎过程均可分为3个阶段,气液交界面波动阶段、射流发展阶段和射流破碎阶段;喷嘴内部回流区的演变决定了气液交界面的波动程度,流动模糊模式下射流在后两个阶段的径向速度和形态变化程度均远高于流动聚焦模式,气泡回流过程在其射流破碎阶段占据主导地位,液体管道内气泡分布位置与涡的强度呈正相关。     

快速降压环境下盐水液滴蒸发过程的传热传质研究

采用VOF（Volume of Fluid）自由表面捕捉方法对盐水液滴蒸发过程中气液界面进行追踪,建立了降压环境下单个盐水液滴的蒸发模型,并通过盐水液滴蒸发的实验数据验证了此模型。通过对盐水液滴在相变过程中的形态变化以及传热传质特性的分析,研究了液滴内部温度、速度、蒸汽分布以及液滴形态等随时间的变化情况,分析了影响盐水液滴降压蒸发过程的主要因素。结果表明：在降压蒸发过程中液滴形态变化和环境中蒸汽的分布会随速度场的变化而变化;蒸发过程中初始盐组分质量浓度越大的液滴蒸发速率越缓慢,最终能达到的液滴最低中心温度越高,且液滴中心温度回升速度越慢、回升时间也越晚;液滴初始温度对蒸发速率影响较大,初始温度越高,表面蒸发速率越快,液滴中心温度回升速度越快。     

液-液雾化的射流特性与粒径分布

液滴的粒径分布是液-液循环流化床制取流体冰技术的关键因素之一。在流化床实验装置上,采用快速摄像与图像处理相结合的方法,研究低流速下液-液单孔雾化的射流及其对液滴粒径分布的影响,射流长度的变化和液滴的粒径分布运用数学统计的方法进行分析。研究结果发现,当射流速度大于1.14m/s时,开始出现射流;各个流速工况下射流长度的波动具有随机和非周期的特点,其均值与方差随射流速度增大的总体变化趋势是先增大后减小;转折点在射流速度为6.58m/s时,在射流长度波动的峰点处形成球形或锥形射流顶部是液滴的粒径具有大小差异及其运动路径发生摆动的主要原因;各流速工况下,液滴的粒径分布与Rosin-Rammler分布符合的很好;研究结果为液-液循环流化床实际运行时控制雾化形成液滴的粒径分布提供可靠依据。     

气液降膜流动传热传质研究的综述

气液降膜是工业中常见的传热传质过程,在很多领域中有着广泛的应用,在湿空气透平（HAT）循环的主要部件饱和器中,也有着重要的意义。本文回顾了降膜分别在气体剪切力下以及由界面相变引起的热非平衡状态下的流动稳定性及传热传质的发展现状和研究进展,总结了气液降膜流动已有的理论和实验结果,并展望了气液降膜流动技术的发展前景。     

圆柱形金属储热体凝固过程的传热研究

研究了圆柱形金属储热体凝固过程的传热。考虑液相区域中自然对流的影响，建立了柱坐标下温度和流动微分方程组，并采用固定界面定界面法求解，得到了凝固过程中液相区域的流函数图线、固液两相温度分布及界面移动规律。着重讨论了液相区域对凝固过程的影响。     

非饱和土壤内部水-气界面特性的微CT 分析

以不同粒径玻璃微珠为对象,通过高分辨率Micro-CT测量获得非饱和土壤内部水-气界面的分布状态特征,并采用欧拉数(Eu)表征土壤内部孔隙的连通特性。结果表明,Eu随饱和度S变化可分为3个阶段,其中当S25%时,Eu随饱和度线性降低;当25%S35%时,Eu随饱和度缓慢降低,直至减小至零;当S35%时,Eu呈现负值,且变化非常微弱。土壤内部的水-气接触面积随饱和度的增加呈现快速上升而后逐渐下降的整体变化趋势。最后,以热导率为例,量化水-气界面状态变化对不同温度下土壤宏观热物性的影响,并分析土壤内部水-气扩散与流动机制。     

内燃机跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的机理与模型

高密度低温燃烧等内燃机燃烧新概念的提出,使得跨临界/超临界燃料喷射与喷雾混合成为内燃机研究者面临的一个重要课题.跨临界/超临界下的液体射流与喷雾形成具有与亚临界工况本质不同且极其复杂的机理.首先对跨临界/超临界液体射流喷雾的特征与机理做了简要介绍;然后,对迄今国内外在该领域的研究进展进行了比较系统全面的评述,同时指出了其局限与不足.在全面审视前人关于直喷式内燃机燃料喷雾混合过程的机理与模型研究的基础上,提出一个新的跨临界/超临界环境下液体燃料喷射与混合气形成的数理模型——"混合层回缩"(MLR)模型;并进而建议,采用微观、介观与宏观研究相结合的5步策略,构建直喷式发动机亚临界/跨临界/超临界燃料喷雾混合过程的全工况统一模型.