单液滴碰撞不同尺寸等温壁面过程

应用基于VOF的界面跟踪方法分析了单液滴碰撞不同尺寸等温固体壁面时铺展、回缩或延伸至壁外形成液膜、液膜破碎等过程的动力学行为.通过与文献中液滴在壁面上铺展直径随时间变化的试验对比,证实了模型的可靠性.通过改变We数、Re数及壁面宽度,考查了初始液滴碰撞动能、表面能及固体壁面尺度对液滴碰壁现象的影响,计算结果表明:当壁面...     

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明：低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。     

单液滴撞击薄液膜后冠状结构的破碎过程

为了研究液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程,搭建单液滴撞壁的光学观测系统,采用激光诱导荧光法研究单液滴撞击不同黏度薄液膜的过程.试验中采用无水乙醇作为入射液滴,丙三醇水溶液作为壁面液膜,观测液滴撞击薄液膜后形成的冠状结构的破碎过程,根据其破碎过程的特点分为3类:飞溅破碎、孔洞破碎和混合破碎.对每种破碎类型的特性,...     

撞击液滴形成的液膜边缘特性

以旋风分离器内液滴撞击筒壁为研究背景,探讨了撞击形成的液膜边缘特性,考察了韦伯数(We)、撞击速度、初始液滴直径对液膜边缘形成的指形液滴和卫星液滴的影响.结果发现:不同We数下,最大液膜直径形成的指形液滴体积分布集中在0.2～0.6,近似于高斯分布;随着We数的增加,大体积卫星液滴出现的几率也随之增大;且卫星液滴的体积随着初始液滴直径和初始撞击速度的增大而增大;另外,在同一铺展过程中,边缘液滴、指形液滴和卫星液滴三者的数量呈依次递减的关系.     

喷淋冷却器内液滴撞击液膜的传热数值模拟

液滴撞击液膜是喷淋冷却过程中的常见现象,利用欧拉多相流模型与连续表面力模型模拟了液滴撞击液膜的传热过程,其中液滴撞击液膜的飞溅规律与实验结果一致.分析了液滴撞击液膜飞溅半径与飞溅高度的变化规律,并进一步分析了撞击速度、液滴直径、液膜深度、壁面温度对液滴-液膜撞击传热量的影响,结果表明增加撞击速度、液滴直径、液膜深度有助于提高喷淋冷却的效果.     

双液滴同时垂直撞击液膜数值研究

应用数值法对双液滴垂直撞击液膜的动力学行为进行研究.采用VOF法结合网格局部瞬时加密技术捕捉气液两相界面.主要讨论了液滴韦伯数和液滴间距对碰撞演化过程和飞溅特性的影响,给出演化过程中包括二次液滴数量及尺寸等特性参数的变化规律.结果表明,双液滴撞击液膜,除了会生成皇冠形水花外,还会出现水花相撞形成的中心射流.在研究范围内,中心射流产生的二次液滴尺寸比皇冠形水花处生成的液滴尺寸小,中心射流破碎较早,所以二次液滴平均尺寸初始阶段增长较快,后期变化较慢,近似呈现线性增长.     

汽油缸内直喷多孔喷油器喷雾碰壁特性试验

为了研究缸内直喷汽油机多孔喷油器的碰壁喷雾特性,建立了定容碰壁喷雾试验装置,对不同喷油压力和不同环境压力条件下的碰壁喷雾过程进行了拍摄,同时考虑壁面与喷嘴的距离和壁面倾角对碰壁喷雾特性的影响.结果表明:增加喷油压力可以使碰壁喷雾高度和半径增大,但是碰壁喷雾高度的增加率随喷油压力的增加而减小;随着环境背压的增大,碰壁喷雾高度和半径均减小,进一步增大环境背压,则碰壁喷雾高度增大;加大撞击壁面与喷嘴的距离和壁面倾角,碰壁喷雾高度和喷雾半径均增大,当壁面倾角进一步增大,碰壁液滴总动能减少,而且受到喷雾油束边缘的运动阻力,碰壁喷雾半径减小.     

气液旋流器内液滴破碎和碰撞的数值模拟

气液旋流分离器内是一个复杂的强旋湍流场,流场内的液滴受气动力、剪切力和湍流脉动的作用,发生剧烈的相互碰撞、聚合、破碎并撞击筒壁.对旋流器内液滴间的碰撞、聚合、液滴的破碎和碰壁的机制进行分析,在前人研究的基础上,结合旋流器的实际情况,提出适用于气液旋流器强旋气相湍流场内液滴问碰撞、液滴破碎和碰壁过程的计算模型,对新的数学模型进行数值模拟计算.结果表明,本模型能较为准确地预测强旋气相湍流场内液滴间碰撞、液滴破碎和碰壁过程,完善了气液旋流器的分离机制模型,为改善其分离性能及其工程设计提供了理论基础.     

液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究

针对液滴撞击固体表面时动力学行为的不同影响因素,利用高速摄像技术捕捉了4种物性不同的液滴,即癸烷、十四烷、蒸馏水和无水乙醇液滴撞击不同粗糙度固体表面后的铺展与飞溅形态。探究了黏度、表面张力与实验壁面粗糙度对液滴撞击壁面后的最大铺展因数和铺展-飞溅临界韦伯数的影响。结果表明:实验流体的动力黏度越大,液滴在铺展过程中受到的阻力越大,也就越不容易铺展,相同韦伯数下的最大铺展因数越小;表面张力越大,液滴碰壁后更有可能发生回缩。在实验过程中也观察到,只有表面张力明显大于其他工质的蒸馏水液滴在碰壁后发生了回缩。壁面越粗糙,液滴在铺展过程中需要润湿越大面积的壁面,增加了黏性耗散,且受到的阻力也更大,相同韦伯数的液滴碰壁后的最大铺展因数也越小。对Laan的公式进行了粗糙度的补充,得到了最大铺展因数与韦伯数、雷诺数及粗糙度的关系。壁面粗糙度对液滴铺展后的边缘造成扰动,使液滴更容易发生飞溅,铺展-飞溅的临界韦伯数随着壁面粗糙度的增加而减小,且壁面粗糙度对小奥内佐格数流体的临界韦伯数影响更大。     

洗涤冷却室气液分离空间内液滴重力分离数值研究

在Euler-Lagrange三维坐标系下,建立了液滴重力分离模型.利用该模型模拟了气化炉洗涤冷却室气液分离空间内的气液两相流动.揭示了液滴的运动规律,分析了气液分离空间高度、气流速度以及液滴初始速度对液滴分离效率的影响.研究结果表明:液滴在飞溅进入气液分离空间后作减速运动,越小尺寸液滴的减速越为明显;液滴的分离效率随着气液分离空间高度的增加而提高并趋于稳定;在相同液滴初速度以及相同气液分离空间高度下,随着气流速度的降低,液滴的分离效率反而增大;随着液滴初始速度的提高,获得最大液滴分离效率所需的气液分离空间高度增加.在考虑液滴碰撞效应后,计算得到的液滴分离效率有所提高.     

油滴与深油膜正碰撞的动力学分析

为揭示航空发动机轴承腔中润滑油滴与壁面油膜的碰撞特性,采用VOF方法建立了油滴与深油膜正碰撞的三维数值分析模型.通过数值计算,分析了油滴与深油膜正碰撞后溅射油膜与空腔的形貌演化与流动铺展过程,以及二次油滴的初始特性;探讨了油滴直径和碰撞速度对碰撞结果的影响.结果表明:碰撞形成的溅射油膜以油滴接触点为中心向外铺展,最终发展为冠状油膜,其间伴随有大量尺寸各异的二次油滴产生;油膜内部形成的空腔近似空间半球形状,二次油滴的直径呈对数正态分布;随着油滴直径和碰撞速度的增大,油冠高度、空腔深度和直径均增大;二次油滴直径分布区间随着油滴直径的增大和碰撞速度的减小而更加分散.与相关试验结果进行对比,验证了提出的数值分析模型的正确性与可靠性.     

应用改进粒子水平集法对液滴碰撞的数值研究

为了准确捕捉自由面运动,求解液滴的碰撞过程,针对传统粒子水平集法不适用于待修正网格包含在虚拟粒子内部的情况,在充分分析以上问题的基础上提出一种新的局部距离函数定义方式.经测试问题验证,改进方法可降低由于粒子沿非界面法线方向运动对界面修正的干扰,显著提高界面捕捉精度及守恒性.应用改进粒子水平集法对二维液体碰撞过程进行数值模拟,计算结果显示:相对速度是正碰过程是否发生分离的决定因素,空气中两个直径为3mm的正碰水滴的临界韦伯数为13.79;偏心程度和相对速度共同影响偏心碰撞的液滴形态;给定相对速度时存在两个临界偏心程度,偏心程度介于临界值之间时碰撞后不发生分离.     

基于SPH方法连续液滴撞击固壁面模拟

 为了研究连续液滴对固壁面的撞击影响, 引入一种纯Lagrange、无网格计算方法, 即光滑粒子流体动力学方法(SPH)。对连续液滴撞击固壁面的扩散、回弹及飞溅进行了数值模拟并与实验测试进行比对。结果表明:连续液滴撞击固壁面时, 液滴的自由表面变化具有许多不确定性, 其中次生液滴的产生和韦伯数的作用是影响液滴撞击扩散的主因。次生液滴的出现使得液滴扩散及飞溅变得更为明显, 韦伯数越大, 连续液滴的无量纲直径变化越快。模拟效果真实反映了液滴撞击过程, 可为类似撞击问题的仿真分析提供借鉴。     

气泡碰壁反弹的动力学模型研究

为了解气泡与壁面相互作用的物理机制和详细动力学过程,对气泡与壁面碰撞反弹的动力学过程进行了分析,综述了理论模型的发展过程,并采用所建立的理论模型进行数值求解.当毫米级气泡以一定速度垂直撞击壁面时,气泡与壁面之间存在一层液膜,该液膜呈现多种形状.气泡的变形会改变薄膜内压强的分布,形成薄膜排水过程.气泡在与壁面作用的过程中会反弹多次直至动能被完全消耗.在建立的动力学模型中,液膜厚度分布由Stokes-Reynolds方程描述,液膜内压强由Young-Laplace方程求得,在气泡的轨迹模型中引入了由液膜内压强引起的壁面诱导力.结果表明:描述液膜厚度及膜内压强的SRYL模型能够捕捉薄膜变化的动力学行为,基于薄膜润滑近似的壁面诱导力模型可以较好地预测气泡多次反弹的运动轨迹,壁面诱导力在气泡撞击壁面的过程中对气泡运动起主导作用;随着气泡尺寸和雷诺数的增大,气泡的反弹次数会逐渐增加,气泡是否反弹以及反弹次数与雷诺数有着直接的关系.      

二甲基醚喷雾碰壁实验研究

利用压力定容室配以高速摄影机对柴油代用燃料二甲基醚（DME）进行了喷雾碰壁实验研究,考察了碰壁角度、碰壁距离等因素对二甲基醚喷雾碰壁过程的影响．同时,对柴油的喷雾碰壁也进行了相关的对比实验．基于对实验结果的分析,获得了二甲基醚喷雾碰壁特性的一般规律：随着碰壁入射角的增大,近壁区的空气卷吸作用加强,着壁液滴的数量减少,油膜厚度变薄,喷雾体的壁面扩展度增加;随着碰壁距离增加,喷雾体的壁面扩展度和厚度都有所降低,近壁区的空气卷吸作用减弱;与柴油相比,DME喷雾体的壁面扩展度和厚度较小,说明DME比柴油蒸发速度快,雾化质量较好．     

Mechanism and simulation of droplet coalescence in molten steel

Droplet coalescence in liquid steel was carefully investigated through observations of the distribution pattern of inclusions in solidified steel samples. The process of droplet coalescence was slow, and the critical Weber number (We) was used to evaluate the coalescence or separation of droplets. The relationship between the collision parameter and the critical We indicated whether slow coalescence or bouncing of droplets occurred. The critical We was 5.5, which means that the droplets gradually coalesce when We ≤ 5.5, whereas they bounce when We > 5.5. For the carbonate wire feeding into liquid steel, a mathematical model implementing a combined computational fluid dynamics (CFD)-discrete element method (DEM) approach was developed to simulate the movement and coalescence of variably sized droplets in a bottom-argon-blowing ladle. In the CFD model, the flow field was solved on the premise that the fluid was a continuous medium. Meanwhile, the droplets were dispersed in the DEM model, and the coalescence criterion of the particles was added to simulate the collision-coalescence process of the particles. The numerical simulation results and observations of inclusion coalescence in steel samples are consistent.     

特征参数对DSMC方法模拟声场中颗粒碰撞的影响

直接从颗粒受力和运动出发,基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法建立颗粒碰撞模型,模拟声场中颗粒的碰撞过程,通过改变模拟条件,探讨DSMC方法中的特征参数(取样颗粒的数目权重、网格数目、时间步长)对颗粒碰撞率和计算时间的影响.结果表明:频率越大,颗粒容积份额变化越迅速,颗粒空间分布越不均匀;数目权重的增加对颗粒碰撞率影响较小,而对计算时间的影响显著,使其迅速减少;网格数目增加,碰撞率降低,计算时间则先迅速降低,随后在低频时基本不变,高频时略有上升.研究还发现:随着碰撞时间步长的增加,低频声场中碰撞率单调增加,高频声场中碰撞率先增加而后出现波动;碰撞时间步长的增加将引起计算时间减少,减少量在碰撞步长较小时最为明显.