高速气流中液滴破碎过程的数值模拟研究开题报告

全文总字数：6324字

1. 研究目的与意义（文献综述）

液滴的破碎在许多工业应用中具有重要的意义，如医疗和农业应用中的喷雾和发动机燃烧。在发动机中，液滴破碎在决定喷雾特性方面起着至关重要的作用，这进一步显著影响了混合气的形成和燃烧过程。因此，了解液滴破碎对发展高效低排放发动机具有重要意义^[1]。液滴雾化过程通常包括液体射流的初始破碎形成大液滴，再进一步破碎成微小液滴，分别称为一次破碎和二次破碎^[2]。液滴在高速气流中的破碎和雾化是多相流体力学中的经典问题,包含了气液界面的失稳以及多相流体的湍流混合,在超音速雨滴侵蚀、激波抛洒、超燃冲压发动机燃烧稳定性等方面均具有重要应用^[3]。深入研究该问题具有重要的学术价值和工程应用背景,液滴变形与破碎是液体雾化的重要阶段，液滴与气流之间以及液滴之问的相互作用直接影响雾滴最终的尺寸及分布 ^[1,11,12]。

在对于液滴破碎的研究中，国内外近些年来也是针对气流中液滴的破碎过程进行了广泛的研究，在这一领域国内外也是取得了显著的成果。daniel r等表明液滴的气动破碎液滴以非零的相对速度通过周围气体时，会经历某种形式的变形。这是由于气动阻力（对跌落表面施加不均匀应力）和界面张力（试图抵消应力分布）之间的竞争。如果前者比后者大得多，液滴可能会变形到碎裂点^[4,9]。在典型的喷雾应用中，液体从喷嘴喷射，形成一个喷嘴，该喷嘴将经历一次雾化成液滴。随后，由于与气体的相互作用，液滴可能进一步破碎。由于液滴的气动破碎在时间上遵循一次雾化，这里研究的过程有时也被称为二次破碎或二次雾化^[5,6,7]。wei yang等表明液滴破碎主要受we数控制。随着we数的逐渐增加，会出现以下破碎模式：变形破碎、袋式破碎、中间破碎、薄片减薄和爆炸性破碎模式 ^[1,12]。值得注意的是，一个重要的共识是，在低oh数（oh<0.1）下，初始袋破裂的临界we数为11±2，而在中间破裂状态下的转变we数多少是任意的^[6]。reitz等提出了一种被称为“薄片变薄”机制的假设，在这种机制中，周围气体流动的惯性阻力导致在液滴边缘产生薄片。气动液滴破碎是由初始液滴气体相对速度u引起的，借助已知的非量纲数，即韦伯数（we）和奥内佐格数（oh）可以对其进行宏观表征^[4,13,14]。

近些年来国内也对液滴破碎的研究越来越多，尤其是连续气流中液滴的破碎以及剪切气流中液滴的破碎，也取得了显著的成果。王天友等对理论模型进行改进，从更合理的角度预测变形对袋破碎和袋对袋雄蕊破碎的临界性^[1]。从理论上讲，rayleigh-taylor（rt）不稳定性在液滴破碎过程中起着重要作用。l.rayleigh等介绍了rt不稳定性是两种密度不同的流体之间界面的不稳定性，当较重的流体被较轻的流体加速时会发生这种不稳定性^[10,14,17]。d.guildenbecher等进行了rt不稳定性与液滴破碎之间关系的相关研究，总结了rt不稳定性的发展过程中产生的初始表面扰动是由气动效应强化的，并将其定义为rt不稳定性与气动阻力的复合机制^[4,15]。kulkarni v等考虑到高oh数下过渡研究实验数据的不足，采用简单d的clsvof（sclsvof）方法对液滴在宽oh范围内的变形到袋破裂和袋到袋破裂的过渡过程进行了数值研究。在现有模拟结果的基础上，根据rt不稳定性,改进了一种新的理论模型，以了解不同破碎区之间转变的物理基础^[7,15,16]。于亮等采用了大涡模拟(les)与vof相结合的方法，对单液滴破碎过程进行了数值模拟，最后得出les与vof方法的结合可以得到更为细致的流场属性，通过对液滴破碎过程进行分段分析，发现液滴破碎初始阶段的尾涡效应对液滴的初始形变位置影响明显，且液滴的袋状破碎是从变形液滴两端开始的^[8,15,18]。黄熙龙等通过高速摄影测试技术获得了液滴的3种典型变形破碎模式:振荡变形、剥离破碎和爆炸式破碎.定量研究了不同破碎模式下液滴形态的变化过程,研究了液滴破碎雾化过程中液滴内部微小颗粒的分布,发现气流速度的增加增强了背风面反向涡对的强度.气流的剪切和夹带对液滴的破碎起着主导作用^[3,17,19]。易翔宇等釆用实验方法研究毫米液滴在激波爆炸波诱导高速流场中的变形和破碎现象。以直接高速摄影捕捉到液滴发展的形态和过程,并初步探讨了其内在发生机制，研究发现,液滴的发展过程可大致分为初期变形、剪切剥离和主体破碎三个典型阶段。液滴表面切向气流速度方向的差异堆积出多个环形凸起,液雾主要由这些凸起处产生。背风面的犄角凸起的形态数目随液滴尺寸和来流条件不同。液滴表面形态在切向气流速度较小的区域维持光滑,而在气流速度较大区域呈细碎波状^[4,8]。

2. 研究的基本内容与方案

1.研究内容

本文主要采用数值模拟的方式，利用openfoam这一开源cfd软件，对气流中的液滴破碎的过程进行数值模拟分析，主要是针对气流中的连续气流以及剪切气流进行模拟，我们采用openfoam建立三维的液滴破碎的理论模型，采用流体体积法(vof)对两相液气系统进行控制方程和流动求解数值模拟，最后应用openfoam对模拟之后的数据进行提取以及后处理，对液滴的破碎过程进行分析总结，通过改变韦伯数，导致液滴的破碎机制不同，对液滴的破碎特性进行分析，进一步定量研究气流的速度对液滴破碎特性的影响。

3. 研究计划与安排

1)第1-3周：英文文献翻译，完成开题报告和文献综述；

2)第4-6周：液滴破碎过程的模型建立；

3)第7-10周：实现对液滴破碎过程的 cfd 数值模拟，分析气流速度对破碎过程的影响规律；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]yang w, jia m, che z, et al.transitions of deformation to bag breakup and bag to bag-stamen breakup fordroplets subjected to a continuous gas flow[j]. international journal of heatand mass transfer, 2017, 111: 884-894.

[2]易翔宇,郭帅涛,朱雨建,杨基明.高速气流中液滴破碎实验研究[d].中国科学技术大学，2014.

[3]黄熙龙,刘金宏,廖深飞,吴鋆.高速气流中液滴变形破碎的实验研究[d].中国工程物理研究院流体物理研究所,2017.