双液滴撞击液膜的流动过程研究

通过建立二维数值模型对双液滴同时撞击液膜的动力学特性进行研究。采用VOF方法捕捉气液两相交界面的演化过程。主要探究了双液滴撞击液膜的流动过程,分析了流动过程中速度分布和压力分布随时间的变化情况。结果表明,双液滴撞击液膜时,不仅存在自身撞击液膜的流动现象,液滴之间还会产生相互影响。     

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.     

水平管外液膜液滴作用下的蒸汽流动特性

为研究水平管外液体和气体相互作用下的两相流动特性,选择蒸发器中广泛应用的转角正方形排列管束为物理模型,采用流体体积函数(VOF)方法追踪气液界面,提出液体在管间以液滴形式存在的模型假设,结合管间空隙率数据来初始化水平管外液膜厚度和液滴直径,模拟蒸汽在管外液膜和管间液滴作用下的流动过程,分析气液两相的压力场和速度场.结果表明:小喷淋密度下,进出口压降计算值和实验吻合良好;在计算域内,下部区域压力值高于上部区域,且最小压力分布在液滴附近的右下侧区域;压力分布的不均会造成液滴在下落过程中的变形.     

两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟

基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。     

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.     

单液滴撞击不同黏度液膜特性研究

为了更好地理解单液滴撞击不同物性流体湿壁面现象,采用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)方法研究了不同入射液滴韦伯数、无量纲液膜厚度及液膜黏度对撞壁现象的影响规律.研究表明,液滴撞击后液膜可分为稳定冠状、飞溅冠状和剧烈飞溅冠状3种形态,入射液滴韦伯数越大,液膜形态变化越剧烈.相同液膜黏度和无量纲液膜厚度下,无量纲冠顶高度随入射液滴韦伯数的增大而升高,且韦伯数越大,到达冠状顶点所需时间越长,冠状维持时间越久.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,随液膜黏度升高,无量纲冠顶高度降低,且到达冠状顶点的时间提前,冠状维持时间缩短;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,随无量纲液膜厚度增加,无量纲冠顶高度先升高后降低,但冠状达到顶点的时间以及冠状维持时间均持续增加.相同无量纲液膜厚度和液膜黏度下,无量纲冠顶直径随入射液滴韦伯数的增大而增大.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,无量纲冠顶直径随液膜黏度升高而降低;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,无量纲冠顶直径随无量纲液膜厚度的增大而降低.根据试验数据拟合出了冠状形态的临界韦伯数与无量纲液膜厚度的关系式,以及无量纲冠顶高度和冠顶直径与入射液滴韦伯数的关系式.     

双液滴垂直碰撞等温壁面过程分析

采用VOF方法模拟了多孔介质中垂直放置的2个正庚烷液滴垂直撞击壁面的过程,研究了韦伯数、雷诺数、壁面尺寸及圆心距等因素对双液滴碰壁现象的影响,分析了双液滴碰壁过程液滴碰壁、液滴间相互碰撞、相溶、铺展形成附壁液膜、形成皇冠形空间液膜及液膜破碎等过程的动力学特性.分别对比了只改变其中1个参数的情况下,皇冠型空间液膜高度和附壁液膜高度的变化.结果表明:在其他参数不变的情况下,分别增大We,Re,d0/H以及减小d0/s,飞溅的二次液滴数量明显增多,皇冠型空间液膜高度都有不同程度的增大,对附壁液膜高度也有不同程度的影响.     

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.     

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.     

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.     

Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.     

三维低雷诺数后台阶流动的Lattice Boltzmann Method模拟

Lattice Boltzmann Method (LBM) 是近年来兴起的新型流体计算方法,该方法已成功应用模拟各工程中的流体流动.本文利用该方法研究在低雷诺数的不同雷诺数下三维后台阶流动的计算,并与前人的研究结果进行了比较,计算表明:与传统的计算流体力学方法相比,该方法具有极易处理复杂的边界条件和卓越的并行计算性能.已证明该方法在模拟恒温、不可压和低雷诺数条件下的流体流动时,有非常好的计算精度.     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

格子Boltzmann方法在非牛顿流体研究中的应用

建立了用于非牛顿流体的格子Boltzmann方法，通过Chapman-Enskog展开和多尺度技术，并选择特定的平衡态分布函数的形式，可以得到非牛顿流体流动 的宏观Navier-Stokes方程，并且流体满足宾汉模式的本构关系。     

New boundary treatment methods for lattice Boltzmann method

0　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｓｉｍｐｌｅｓｔａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｌｙｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｌａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｏｎｅｗｉｔｈｔｈｅＢＧＫ (Ｂｈａｔｎａｇａｒ Ｇｒｏｓｓ Ｋｒｏｏｋ)ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒ[1]ｆα(ｒ+ｅαδｔ,ｔ+δ1) -ｆα(ｒ ,ｔ)=1τ[ｆ( 0 )α (ｒ ,ｔ) -ｆα(ｒ ,ｔ) ],α =0 ,1,2 ,… ,ｂ(1)ｗｈｅｒｅｆα(ｒ ,ｔ)ｉｓｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅα ｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ;ｆ( 0 )α :ｔｈｅｃｏｒｒｅｓ…     

三维晶格玻尔兹曼方法模拟动脉弓内的流场

简要介绍了三维晶格玻尔兹曼方法,它是模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具.应用三维晶格玻尔兹曼方法对动脉弓模型的流场在不同雷诺数情况下进行模拟,给出了弯管内的轴速度、二次流和壁面剪切应力的分布特征,并对结果进行了详细的分析.     

用晶格Boltzmann方法模拟动脉分叉流场

简要介绍了晶格Boltzmann方法(LBM),它是模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具,比传统的数值模拟方法有许多独特的优点,特别是在处理复杂边界方面.并应用LBM对动脉分叉的流场在不同雷诺数情况下进行模拟,给出了速度、剪切应力和压力在分叉处的分布,并且分析了分支管内流体分离区的存在.流体在分离区内几乎处于停滞状态,剪切率非常小,容易在此处形成动脉粥硬化.     

垂直转子轴式微型泵的LBM模拟

为了对垂直转子轴式微型泵内部流动规律进行深入研究,采用格子Bo ltzm ann法(LBM)对该微型泵全流场进行了数值模拟。采用基于插值公式及固壁处动量平衡的弯曲固壁统一边界条件和移动边界条件,对具有圆、椭圆、互垂直双椭圆等3种不同截面形状转轴的微型泵内部流动进行了定常与非定常的计算,得到了微型泵进出口处平均压差、出口处平均量纲一化速度随时间的演化过程。结果表明:随着R eyno lds数的减小,流体的粘性作用不断增大,垂直转子轴结构可对流体进行更加有效的输送;圆形截面转轴比椭圆和互垂直双椭圆截面转轴具有更好的泵送性能。     

基于LBM方法的天然气水合物沉积物中多相流动规律研究

根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点,提出将格子Boltzmann方法(LBM)用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律研究的新方法,该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法,是用格子Boltzmann模型对多孔介质中水合物生成、分解过程中饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行模拟.模拟结果表明,多孔介质...     

Application of the lattice Boltzmann method to electrohydrodynamics： Deformation and instability of liquid drops in electrostatic fields

It is attractive and meaningful to apply the lattice Boltzmann method (LBM) to electrohydrodynamic (EHD) problems. As an important and fundamental problem in EHD, the behavior of freely-suspended liquid drops subjected to electrostatic fields was simulated with a 2-D LBM by means of the permittiv- ity-density relation proposed by the authors and Peng’s multiphase LBM which can obtain high liquid-to-vapor density ratio and low liquid-phase compressibility. The phenomena and laws of deformation, especially the instable behavior of the liquid drops were well simulated. And two important critical parameters, i.e. the critical permittivity ratio and the critical electric-field strength were obtained. These results agree with the corresponding theories and experiments. The simulations show the particular advantages and potential of the LBM in studying multiphase electrohydrodynamic problems.