本文關(guān)鍵詞：液滴碰撞動(dòng)力學(xué)與層流預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)的研究

  更多相關(guān)文章： 液滴碰撞 火焰動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬 格子玻爾茲曼方法

【摘要】：內(nèi)燃機(jī)噴霧燃燒是多相、多尺度、強(qiáng)烈非線性的科學(xué)問題,包含諸多液滴動(dòng)力學(xué)和火焰動(dòng)力學(xué)基本物理現(xiàn)象。從機(jī)理層面深入認(rèn)識(shí)這些基本物理現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)高效、清潔燃燒的重要理論基礎(chǔ)。本課題針對(duì)液滴碰撞動(dòng)力學(xué)問題開展了數(shù)值模擬研究,并考慮到兩相流和預(yù)混火焰在流體本質(zhì)上的相似性,提出了適用于預(yù)混火焰模擬的擴(kuò)散界面方法。為簡化問題,研究中僅考慮層流情況。研究采用格子玻爾茲曼方法作為計(jì)算平臺(tái),并首先對(duì)其廣泛應(yīng)用的偽勢類多相流模型進(jìn)行了評(píng)估分析。結(jié)果表明,數(shù)值穩(wěn)定性和兩相共存密度均與松弛時(shí)間相關(guān),且界面虛假速度處于較高水平。在此基礎(chǔ)上,對(duì)基于相場方法的Lee多相流模型進(jìn)行改進(jìn),通過采用多松弛時(shí)間碰撞算子并進(jìn)行柱坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)了高密度比和低流體粘性下軸對(duì)稱兩相流問題的穩(wěn)定模擬。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,改進(jìn)后的模型能夠定量地預(yù)測液滴變形、碰撞結(jié)果以及內(nèi)部混合特性�；诟倪M(jìn)的多相流模型,開展了牛頓流體液滴碰撞動(dòng)力學(xué)的模擬研究。結(jié)果表明,液滴碰撞過程中存在強(qiáng)烈的流場應(yīng)變,Weber數(shù)(We)和直徑比是影響液滴變形及碰撞結(jié)果的決定參數(shù)。另一方面,Ohnesorge數(shù)(Oh)雖然僅對(duì)液滴變形和碰撞結(jié)果起定量調(diào)節(jié)作用,卻顯著影響液滴內(nèi)部混合特性,即混合與粘性耗散作用直接相關(guān)。在高Oh數(shù)下,小液滴聚集于大液滴一側(cè);適中Oh數(shù)下,小液滴鋪展于大液滴表面;低Oh數(shù)下,小液滴則穿入大液滴內(nèi)部,形成表面張力主導(dǎo)(We數(shù)趨于0)和慣性力主導(dǎo)(有限We數(shù))的兩類射流。認(rèn)識(shí)到液滴變形過程中存在強(qiáng)烈流場應(yīng)變以及粘性耗散對(duì)內(nèi)部混合的決定性影響后,進(jìn)一步考慮了非牛頓流體(粘性與剪切率相關(guān))的液滴碰撞。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于低We數(shù)液滴融合,剪切變稀效應(yīng)顯著促進(jìn)液滴內(nèi)部第一類射流的產(chǎn)生,而小液滴對(duì)該過程起主導(dǎo)作用;對(duì)于有限We數(shù)的液滴碰撞,剪切變稀/變稠效應(yīng)分別促進(jìn)/抑制反射分離的發(fā)生,而液滴之間不同流變性造成的粘性耗散差異則可打破相同尺寸液滴碰撞的對(duì)稱性,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部混合的強(qiáng)化,這種強(qiáng)化效果也隨著流變性差異的增加而增強(qiáng)。上述結(jié)果在加深對(duì)于噴霧燃燒過程中液滴碰撞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)之外,也對(duì)新一代凝膠自燃推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。具體而言,可通過打破液滴碰撞的尺寸對(duì)稱性(燃料/氧化劑分別采用不同尺寸的噴嘴)和流變性對(duì)稱性(燃料/氧化劑進(jìn)行不同程度的凝膠化)等手段來提高該類發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火穩(wěn)定性。在液滴動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)上,意識(shí)到預(yù)混火焰與兩相流在流體本質(zhì)上高度相似,即二者均存在密度連續(xù)變化的界面,但在界面之外均為不可壓流動(dòng)�；谠撜J(rèn)識(shí),提出了用于預(yù)混火焰模擬的擴(kuò)散界面方法,將火焰視為具有厚度的鋒面,并采用反應(yīng)進(jìn)度的輸運(yùn)描述其在流場中的運(yùn)動(dòng)。在反應(yīng)進(jìn)度的對(duì)流-擴(kuò)散方程中,擴(kuò)散項(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)通過火焰速度和火焰厚度進(jìn)行重構(gòu),拉伸效應(yīng)則通過將火焰速度與拉伸率關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。包括一維平面火焰?zhèn)鞑ァarrieus-Landau不穩(wěn)定性、二維柱狀火焰在拉伸效應(yīng)下傳播、以及火焰-渦相互作用等典型算例結(jié)果表明,本方法正確反映了火焰熱膨脹結(jié)構(gòu),與相關(guān)理論解析解一致,從而為預(yù)混火焰的模擬提供了一種新的方法。
【關(guān)鍵詞】：液滴碰撞 火焰動(dòng)力學(xué) 數(shù)值模擬 格子玻爾茲曼方法
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 字母注釋表13-15
• 第一章 緒論15-29
• 1.1 引言15-17
• 1.2 噴霧燃燒中氣液兩相流與火焰的數(shù)值模擬方法17-22
• 1.2.1 計(jì)算流體力學(xué)方法概述17-19
• 1.2.2 氣液兩相流的數(shù)值模擬方法19-21
• 1.2.3 預(yù)混火焰的數(shù)值模擬方法21-22
• 1.3 液滴動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展22-27
• 1.3.1 液滴破碎22-24
• 1.3.2 液滴碰撞24-26
• 1.3.3 液滴碰壁26-27
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容及意義27-29
• 第二章 LBM多相流模型的評(píng)價(jià)與改進(jìn)29-49
• 2.1 偽勢多相流模型的評(píng)價(jià)29-41
• 2.1.1 數(shù)學(xué)模型29-33
• 2.1.2 外力施加方式的影響33-36
• 2.1.3 外力表達(dá)形式的影響36-41
• 2.2 Lee多相流模型的改進(jìn)41-48
• 2.2.1 笛卡爾坐標(biāo)下基于BGK碰撞算子的Lee多相流模型41-42
• 2.2.2 笛卡爾坐標(biāo)下Lee多相流模型的MRT碰撞算子改進(jìn)42-44
• 2.2.3 軸對(duì)稱柱坐標(biāo)下采用MRT碰撞算子的Lee模型44-46
• 2.2.4 液滴內(nèi)部混合過程的計(jì)算46
• 2.2.5 模型測試46-48
• 2.3 本章小結(jié)48-49
• 第三章 牛頓流體液滴碰撞動(dòng)力學(xué)49-71
• 3.1 模擬設(shè)置與模型驗(yàn)證49-53
• 3.1.1 模擬設(shè)置49-50
• 3.1.2 模型驗(yàn)證50-53
• 3.2 液滴碰撞過程的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律分析53-62
• 3.2.1 We數(shù)的影響53-58
• 3.2.2 Oh數(shù)的影響58-60
• 3.2.3 直徑比的影響60-62
• 3.3 不同尺寸液滴碰撞的質(zhì)量混合規(guī)律62-69
• 3.3.1 直徑比的影響62-65
• 3.3.2 Oh數(shù)的影響65-67
• 3.3.3 We數(shù)的影響67-69
• 3.4 本章小結(jié)69-71
• 第四章 非牛頓流體液滴碰撞動(dòng)力學(xué)71-92
• 4.1 非牛頓流動(dòng)效應(yīng)對(duì)初始靜止液滴融合過程的影響71-79
• 4.1.1 模擬設(shè)置71-73
• 4.1.2 相同尺寸液滴的融合73-74
• 4.1.3 不同尺寸液滴的融合74-76
• 4.1.4 剪切變稀效應(yīng)強(qiáng)烈程度對(duì)結(jié)果的影響76-78
• 4.1.5 液滴混合模式的MAP圖78-79
• 4.2 非牛頓流動(dòng)效應(yīng)對(duì)液滴碰撞過程的影響79-90
• 4.2.1 模擬設(shè)置及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證80-83
• 4.2.2 相同剪切變稀流體液滴的碰撞83-85
• 4.2.3 不同剪切變稀流體液滴的碰撞85-87
• 4.2.4 相同剪切變稠流體液滴的碰撞87-88
• 4.2.5 剪切變稀液滴與剪切變稠液滴的碰撞88-90
• 4.3 本章小結(jié)90-92
• 第五章 預(yù)混火焰的擴(kuò)散界面模擬方法92-108
• 5.1 數(shù)值方法92-101
• 5.1.1 宏觀控制方程92-96
• 5.1.2 格子波爾茲曼方程96-101
• 5.2 模型驗(yàn)證101-106
• 5.2.1 一維平面火焰?zhèn)鞑?/span>101-103
• 5.2.2 二維Darrieus-Landau不穩(wěn)定性103-104
• 5.2.3 二維柱狀火焰在拉伸效應(yīng)下的傳播104-106
• 5.2.4 二維火焰-渦相互作用106
• 5.3 本章小結(jié)106-108
• 第六章 全文總結(jié)與展望108-110
• 6.1 全文總結(jié)108-109
• 6.2 未來工作展望109-110
• 參考文獻(xiàn)110-120
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明120-121
• 致謝121-122

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