基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。     

格子Boltzmann方法模拟双液滴同时冲击固体表面液膜

采用单相自由面格子Boltzmann方法数值模拟了两个液滴撞击同种薄膜的流动过程。计算格子的液体比例系数来追踪气液界面的形状,表面张力效应通过分布函数的重构来引入。数值模拟中分别考虑了液滴以不同速度、不同中心间距撞击液膜的情况。数值计算了两个液滴同时撞击液膜产生水花、发生飞溅,水花相遇并发生碰撞后的流动现象。分析了液滴冲击速度及其水平距离对上述流动现象的影响。     

液滴冲击液面变形特征及其能量转化研究

采用Navier-Stokes方程和Volume of Fluid (VOF)方法对液滴冲击液面运动过程进行了三维数值模拟研究。该文对界面形态的模拟结果与实验结果进行定性和定量的对比研究。通过分析速度场和压强场,研究了各界面形态的形成机理,并且进一步分析了冲击过程中能量的变化过程。结果表明:冲击过程中速度场和压强场的变化以及能量的传递导致冲击首先形成液坑,当液坑膨胀到最大后,开始收缩,直到收缩到接近水平液面时,开始有中心液柱从液坑中心升起,随后中心液柱破碎生成次生液滴;冲击过程中动能、表面能和重力势能之间不断转化:重力势能和表面能增加,动能减小,反之亦然;液滴冲击速度较大,能量消耗也较大。     

液滴冲击液面的格子Boltzmann仿真研究

应用格子Boltzmann两相流方程，结合水平集界面重构技术，提出两相流的数值模型。采用五阶WENO格式和三阶TVD Runge-Kutta格式来求解Level Set 函数的输运方程。在不计重力的条件下，对液滴平动进行了数值模拟，在计算了800个时间步后，平动的液滴仍然保持原来的形状。在考虑重力的条件下，对液滴在空气中自由下落、液滴冲击液面的全过程进行了数值模拟，计算结果精细地刻画了液滴和液面界面的变化过程。数值模拟结果与物理规律一致。     

格子Boltzmann方法在模拟液滴冲击液面中的应用

应用格子Boltzmann两相流方程,结合水平集界面重构技术,提出两相流的数值模型。采用五阶WENO格式和三阶TVD Runge-Kutta格式来求解水平集函数的输运方程。在不计重力的条件下,对液滴平动进行了数值模拟,在计算了800个时间步后,平动的液滴仍然保持原来的形状。在考虑重力的条件下,对液滴在空气中自由下落、液滴冲击液面的全过程进行了数值模拟,精细地刻画了液滴和液面界面的变化过程。数值模拟结果与物理现象一致。     

脉冲爆震发动机燃料空气辅助雾化机理的研究

燃料的雾化、与空气的混合是提高脉冲爆震发动机燃料燃烧爆轰效率的前提。文中利用两相流VOF方法研究了燃料喷雾初始时刻液膜的运动及破碎过程,讨论了空气速度、气液比对液膜破碎的影响,揭示了爆震发动机中燃料空气辅助雾化的机理。结果显示,对于来流速度30 m/s、燃料喷射速度23 m/s的条件,喷雾初期燃料射流在锥形壁面上呈现连续的液膜。该液膜在喷嘴内部涡结构及燃料表面张力的影响下,在距离中心锥顶点7 cm位置处液膜开始破碎,破碎后燃料液滴的粒径与破碎时液膜的厚度满足d_D∝t~(1/3)关系。同时,针对可爆混气形成的二次雾化过程,基于大涡模拟(LES)方法,讨论流场涡和燃料颗粒运动的耦合作用。分析受到涡扩散及惯性力的作用,不同St数颗粒在流场中的分布情况。在气液相互作用中,液滴不断破碎。当初始气液比从0.5增大到3时,爆震室流场距离喷嘴出口26.88 mm位置处燃料颗粒平均粒径减小了约45%。     

液滴冲击固体表面的光滑粒子动力学模拟

液滴冲击固体表面的现象广泛地存在于自然界和工业生产中,深入研究液滴冲击固体表面现象对环境工程、微纳米工程以及医药工程等领域有着十分重要的指导作用.该文采用光滑粒子动力学方法(SPH)对液滴冲击固体表面的现象进行了数值模拟.SPH方法是一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法,可以很容易的处理大变形、可变形边界、追踪自由表面以及运动界面.为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性,该文在传统SPH方法的基础上对粒子方法中的核梯度进行了修正,采用粒子间相互作用力的形式来模拟表面张力,应用改进的SPH方法对液滴冲击固体表面进行了数值模拟.计算结果表明,改进的SPH方法能够精细地描述液滴冲击固体表面所产生的铺展和飞溅等动力学特性,得到了稳定精确的结果,数值模拟结果与实验观察结果吻合较好.     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

搅拌槽内流体力学特性的数值模拟研究

采用FLUENT6.3.26软件求解气液两相流,自由液面的捕捉采用VOF(volume of fluid)法,辅以标准k-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程,使用了半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法求解速度与压力耦合方程组,旨在研究搅拌槽在搅拌过程中流体流动的力学特性,分析比较了不同水深处的水流沿半径方向的径向速度、切向速度及轴向速度的规律,经过研究和分析发现模拟的速度值与实验值吻合良好,为搅拌槽的设计和运行提供了参考。     

液滴倾斜撞击液膜液冠演化规律

采用可调节表面张力的大密度比格子玻尔兹曼伪势模型模拟了液滴倾斜撞击液膜的过程,分析了不同雷诺数、韦伯数、液膜厚度和碰撞角对液冠演化的影响。结果表明: 碰撞时能量损失随着雷诺数增大而减小,但随着液膜厚度增大而增大;上下游液冠高度均随着雷诺数、韦伯数和碰撞角的增大而增大;同时上下游液冠高度随着液膜厚度的变化呈现先增大后减小的趋势,液膜厚度为0.25倍液滴半径时达到最大值。液冠延伸长度同样随着雷诺数和碰撞角增大而增大,但并不随着韦伯数的增大而变化,同时液冠延伸长度随着液膜厚度增加而减小。     

SIMULATION OF THE TWO PHASE FLOW OF DROPLET IMPINGEMENT ON LIQUID FILM BY THE LATTICE BOLTZMANN METHOD

A Lattice Boltzmann Method (LBM) with two-distribution functions is employed for simulating the two-phase flow induced by a liquid droplet impinging onto the film of the same liquid on solid surface.The model is suitable for solution of twophase flow problem at high density and viscosity ratios of liquid to vapor and phase transition between liquid and its vapor.The roles of the vapor flow,the density ratio of liquid to vapor and the surface tension of the droplet in the splashing formation are discussed.It is concluded that the vapour flow induced by the droplet fall and splash in the whole impinging process may affect remarkably the splash behaviour.For the case of large density ratio of liquid to vapor a crown may engender after the droplet collides with the film.However,for the case of small density ratio of liquid to vapor a "bell" like splash may be observed.     

Tracking methods for free surface and simulation of a liquid droplet impacting on a solid surface based on SPH

With some popular tracking methods for free surface, simulations of several typical examples are carried out under various flow field conditions.The results show that the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is very suitable in simulating the flow problems with a free surface.A viscous liquid droplet with an initial velocity impacting on a solid surface is simulated based on the SPH method, and the surface tension is considered by searching the free surface particles, the initial impact effect is co...     

Parametric instability of a liquid metal sessile drop under the action of low-frequency alternating magnetic fields

A 2-D mathematical model is developed in order to simulate a parametric electromagnetic instability oscillation process of a liquid metal droplet under the action of low frequency magnetic field. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method and weak form constraint boundary condition are introduced in this model for implementation of the surface tension and electromagnetic force on liquid droplet free surface. The results of the numerical calculations indicate the appearance of various regimes of oscillation. It is found that according to the magnetic field frequency various types of oscillation modes may be found. The oscillation is originated from an instability phenomenon. The stability diagram of liquid metal droplet in the parameter space of magnetic frequency and magnetic flux density is determined numerically. The diagram is very similar to that found in the so-called parametric instability.     

RESEARCH ON STABILITY OF LIQUID FILM ON HOT SOLID SURFACE IMPINGED BY SMALL DROPLETS

A heat and mass transfer model was proposed for the thin liquid film on the hot solid surface cooled by the impinging small droplets, with consideration of the effect of the droplet impact, surface tension, thermocapillary, evaporation/condensation, and van der Waals attraction. The nondimensional equation for predicting the evolution of the interface of the thin liquid film was derived in the presented model with the relevant boundary conditions. The stability of the thin liquid film impacted by cool small droplets is discussed.     

液滴特性对气液两相喷嘴效率影响的研究

从液体特性对两相喷嘴效率影响方面考虑,研究了一种两相喷嘴的流动模型-液体热传递模型,该模型能够完全描述两相混合物在喷嘴中的无摩擦流动情况。用VB软件就该影响进行了数值模拟,模拟结果显示液滴特性中的液滴破碎对两相喷嘴的效率影响是很大的,而液滴拉力系数和液滴热传递系数对两相喷嘴效率的影响较低,液体的比热越大,两相喷嘴的效率越低,而液体的表面张力或密度越低,两相喷嘴的效率越高。同时,对用该模型所设计的空气/水和空气/DTA两相喷嘴分别进行了实验测试,测试结果与理论模拟能够较好的吻合。     

Time domain simulations of radiation and diffraction by a Rankine panel method

The radiation and the diffraction of a ship with a forward speed are studied by using a time domain Rankine panel method. The free surface conditions are linearized onto an undisturbed free surface based on the double body flow. The linearized body boundary condition is applied on the mean wetted hull surface. The fluid domain boundary is discretized by a collection of quadric panels. The unknown quantities, including the free surface elevation, the normal flux over the free surface and the potential on the fluid domain boundary, are determined at each time step. The numerical results are compared with experimental data and other numerical solutions, showing satisfactory agreements.     

基于格子玻尔兹曼方法的液滴撞击移动液膜过程模拟

采用可调节表面张力的大密度比格子玻尔兹曼伪势模型模拟了液滴撞击移动液膜的过程,并进一步分析了雷诺数、韦伯数和初始液膜运动速度对液冠演化的影响。结果表明:初始液膜运动速度会增大上游液冠处撞击后液膜运动速度不连续性,促进上游液冠变形,同时减小了下游液冠处撞击后液膜运动速度不连续性,对下游液冠演化具有抑制作用;上游液冠高度随雷诺数增大而增大,但不随韦伯数的变化发生改变,而下游液冠高度则随着雷诺数和韦伯数的增大而减小,但雷诺数和韦伯数均不影响到液冠半径的演化;随着初始液膜运动速度增大,上、下游液冠高度减小,但液冠半径增大。格子玻尔兹曼伪势模型模拟结果与试验结果和理论分析一致,证明格子玻尔兹曼伪势模型可以有效模拟复杂液膜条件下液滴撞击液膜过程。     

具有隔板容器中液体晃荡的数值模拟

在容器中装置隔板来抑制液体晃荡是一种常见的工程措施。此文针对具有隔板的矩形容器中液体晃荡问题,采用时域高阶边界元方法建立了自由水面满足完全非线性边界条件的数学模型。求解中采用了半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,并运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与文献的数值结果的对比,验证了本模型的准确性。通过大量数值试验,研究了隔板位置、尺寸和形式等因素对容器内晃荡液体运动特性、动力特性和容器固有频率的影响。