超聲速氣流中液體橫向射流一次霧化的實驗與大渦模擬研究.pdf

1、本論文以超聲速氣流中的一次霧化為研究對象。研究的方法分為實驗研究和數(shù)值模擬兩個部分。
　　實驗研究方面，首先，基于光學(xué)拍攝所得的橫向射流瞬時圖像對橫向射流的霧化過程進(jìn)行了直觀的認(rèn)識。橫向射流的霧化分為液柱破碎為液塊、液塊破碎為液滴、液滴進(jìn)行二次霧化這三個過程。在液柱破碎和液塊破碎的過程中觀察到了大量的表面波的作用，同時伴有在強(qiáng)力氣動力作用下的液滴直接剝離液面。在射流迎風(fēng)面所觀察到的表面波結(jié)構(gòu)由大量的不同波長的表面波所組成，而其總的

2、發(fā)展趨勢是沿著射流方向波長不斷增長。當(dāng)擾動波發(fā)展到一定程度，射流液柱將會在波谷處破碎形成液塊。然后基于對橫向射流霧化物理過程的認(rèn)識，采用射流夾角與壁面壓力作為表征橫向射流霧化特性的參數(shù)針對噴前壓力、噴孔直徑和來流總溫三個因素分析了其對超聲速流條件下橫向射流霧化的影響。通過分析比較，得到射流的穿透能力與噴前壓力和噴注孔徑呈正相關(guān)關(guān)系。
　　數(shù)值模擬方面，采用了基于CLSVOF的大渦模擬方法。該數(shù)值模擬方法的兩個核心部分是 CLSVO

3、F界面追蹤方法和可壓/不可壓耦合的兩相大渦模擬。其中CLSVOF方法結(jié)合了Level-Set和Volume Of Fluid兩個方法的優(yōu)點，同時兼具VOF方法的質(zhì)量守恒性和 LS方法界面重構(gòu)和簡便性。實現(xiàn)可壓/不可壓耦合的兩相大渦模擬方法最關(guān)鍵的是用虛擬流體方法處理表面張力以及去散度化的界面速度重構(gòu)解決數(shù)值破碎的問題，并且通過提高速度外延的精度減少了高We數(shù)計算時液體產(chǎn)生的非物理破碎。基于所發(fā)展的數(shù)值方法，利用超聲速氣流中液滴破碎作為驗

4、證算例來檢驗所發(fā)展數(shù)值方法在求解超聲速來流條件下液體破碎的可行性和可靠性。將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了不同破碎模式的定性比較以及液滴破碎分布的定量比較，并且將表面波動波長的計算值與理論值進(jìn)行了比較。通過驗證算例，證明了所發(fā)展方法的可靠性和正確性。驗證了數(shù)值方法后，以來流Ma數(shù)2.1，We數(shù)500，動壓比10的工況為基準(zhǔn)工況，展開了針對Ma數(shù)、We數(shù)以及動壓比這三個常用量作為研究超聲速氣流中一次霧化的三個方面。針對We的研究進(jìn)行了100、3

5、00、500、700、900、1100六組工況的對比。通過對比發(fā)現(xiàn)，同超聲速氣流中液滴破碎的情況一樣，We影響著橫向射流的破碎形態(tài)，We數(shù)越大在液體表面所形成的不穩(wěn)定波動越小。通過理論公式計算的波長與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比證明了沿射流方向的表面波動機(jī)理可由 Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性來進(jìn)行解釋，而沿展向的波動的主要機(jī)理不是 Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性。通過對液體射流破碎分布和頻率特性的研究發(fā)現(xiàn)，We數(shù)主要影響液體