液體射流沖擊平板數(shù)值模擬研究
發(fā)布時間：2021-06-01 05:58
平板沖擊射流作為一種廣泛應用于基礎研究和工業(yè)應用中的流動方式,具有被深入研究的價值。其中,典型的單射孔傾斜射流沖擊平板流動是平板沖擊射流研究的基礎與起點。在沖擊射流的研究中,數(shù)值模擬作為能有效代替實驗,并便于研究較多工況下流動情況的研究方法,正在被越來越多地應用于該領域的研究中。但由于多相流相對于單相流復雜度大大增加,導致三維數(shù)值模擬模型會消耗大量的計算資源。因此,本文開發(fā)了一種針對傾斜射流沖擊平板流動的準三維數(shù)值模擬方法,并基于此方法對不同工況下的傾斜射流沖擊平板流動進行了研究。本文首先根據(jù)實驗構建幾何模型并進行網(wǎng)格無關性驗證,建立了適用于單孔傾斜射流沖擊平板流動的三維數(shù)值模擬方法。在此基礎上,本文提出準三維數(shù)值模擬方法。思路如下:首先進行自由射流與撞擊點附近的三維數(shù)值模擬,并以撞擊點周圍的流場結果為基礎,以撞擊點為起點,將流場分割為7個二維平面,然后在每個二維平面內,以前面三維計算結果為初始條件繼續(xù)計算,最后將每個二維流場的結果進行統(tǒng)計整理。本文將上述方法的模擬結果與實驗結果進行對比分析,驗證了該方法的有效性。利用本文提出的準三維模擬方法,分析了射流角度、射流速度、流體粘性、表面張...
【文章來源】：中國民航大學天津市
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
傾斜平板射流中各區(qū)域分布的示意圖[10]
中國民航大學碩士學位論文3WangR,HuangY,FengX.[10]等人利用實驗方法研究了平板沖擊射流，根據(jù)實驗和預測，對動態(tài)粘度，表面張力等參數(shù)和不同沖擊速度和沖擊角下的工況進行了分析，建立了半經驗公式，并發(fā)現(xiàn)了平板沖擊射流由中間的液膜區(qū)和外層的粗邊緣區(qū)組成。實際上，本課題的數(shù)值模擬方法即是通過和這篇文章的實驗結果對比來驗證數(shù)值計算的準確性。(1)關于沖擊射流在平板上的流動結構以下學者進行了研究，并確定了湍流為平板沖擊射流的主要結構，并分別解釋了湍流結構的由來與特點。GutmarkE.,WolfshteinM.&WygnanskiI.[13]最先開始用實驗的方法，研究了二維平板沖擊射流的湍流結構，運用光譜測量方法測量了平均速度、湍流強度和三個方向上速度的函數(shù)，并計算了這三個擾動分量的能量平衡。圖1-2垂直平板沖擊射流中軸線上的平均速度[13]結果表明，流線在近壁面處會被有選擇性的拉伸成渦，導致滯止區(qū)的流動呈各向異性。并在滯止區(qū)內的湍流中發(fā)現(xiàn)了一個中性頻率（如圖1-2），高于該中性頻率，能量通過粘性耗散而衰減，低于該中性頻率，通過渦旋拉伸機制增強。SAKAKIBARAJ.,HISHIDAK.&PHILLIPSW.[14]使用時間序列數(shù)字粒子圖像方法研究了平面撞擊射流的旋渦結構，發(fā)現(xiàn)在特征點理論下，等渦與等λ2（速度梯度張量的第二個特征值）的耦合面可以用來描述和確定“橫肋”湍流結構。并發(fā)現(xiàn)當橫肋和壁肋在噴射的對稱平面附近合并時渦量的產生是最大的。CrowSC,ChampagneFH.[15]進行了一項研究以確定噴射湍流可以進行有序描述，以及通過在噴射出口處施加的輕微周期性波動來增強和控制湍流頻率，并在某種程度上湍流混合，獲得一系列新的噪聲抑制技術使預測噴射噪聲的問題變得更加簡單。
中國民航大學碩士學位論文5和高階矩的細節(jié)。測量射流的一些特征顯示除與強制高雷諾數(shù)射流的觀測結果相對應。并發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)下，射流的初始區(qū)域由剪切層中的渦旋支配。同時利用統(tǒng)計矩和光譜分析證實了這一結果。WRQuinn,JMilitzer[22]給出了來自鋒利邊緣方形槽的湍流自由空氣射流的實驗和數(shù)值研究結果。在數(shù)值研究中，射流出口被視為橢圓形。實驗結果包括平均速度，湍流法向測量得到的剪切應力，以及皮托靜壓管與壓力傳感器一起獲得的平均靜壓。圖1-3中心向上的平均靜壓分布[22]實驗結果表明，在近場中存在明顯的平均流向偏離中心峰，其中也發(fā)現(xiàn)了正平均靜壓（如圖1-3）。此外，發(fā)現(xiàn)這種工況下的射流在近流場中比在相同測試條件下具有與方形槽相同的出口面積的圓形槽的射流明顯更快地擴散。Olsson.M.Fuchs.L.[23]進行了雷諾數(shù)為104的強制半圓形撞擊射流的大渦模擬（LES）。射流入口和壁面之間的間隔是四個射流入口直徑。因此，進行了四種不同的模擬。在沒有任何明確的子網(wǎng)格尺度（SGS）模型的情況下，分別使用1283和963個網(wǎng)格點進行了兩次模擬。使用963個網(wǎng)格點與兩個不同的SGS模型進行了兩次模擬，一個使用動態(tài)Smagorinsky模型，另一個使用壓力相似性模型。同時利用數(shù)值模擬方法研究了平均速度，湍流統(tǒng)計，SGS模型效應，以及聚焦于近壁區(qū)域射流的動態(tài)行為。確認了壁面噴射區(qū)域中分離渦的存在。發(fā)現(xiàn)這些二次渦流與自由射流的圓形剪切層產生的徑向偏轉的主渦流有關。還顯示壁面附近的主要渦旋結構是螺旋形的而不是軸對稱的。在SGS模型的模擬中發(fā)現(xiàn)了定量增益。并發(fā)現(xiàn)與其他粗網(wǎng)格模擬相比，應力相似模型模擬與更高分辨率的模擬相比略微更好，并且不同模擬之間在湍流強度方面的變化小于10％。RiesF,LiY,RimannM[24]使用了直接數(shù)值模?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]橫向氣流中液體圓柱射流的破碎特性和表面波現(xiàn)象[J]. 王雄輝,黃勇,王方,王少林,劉志林. 航空動力學報. 2012(09)
[2]流體機械CFD中的網(wǎng)格生成方法進展[J]. 劉厚林,董亮,王勇,王凱,路明臻. 流體機械. 2010(04)
[3]多點噴射燃燒室冷態(tài)流場特性研究[J]. 鄧甜,王方,黃勇. 工程熱物理學報. 2008(05)
[4]N-S方程的數(shù)值解法及其在水波動力學中應用的綜述[J]. 李紹武,尹振軍. 海洋通報. 2004(04)
本文編號：3209797
【文章來源】：中國民航大學天津市
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
傾斜平板射流中各區(qū)域分布的示意圖[10]
中國民航大學碩士學位論文3WangR,HuangY,FengX.[10]等人利用實驗方法研究了平板沖擊射流，根據(jù)實驗和預測，對動態(tài)粘度，表面張力等參數(shù)和不同沖擊速度和沖擊角下的工況進行了分析，建立了半經驗公式，并發(fā)現(xiàn)了平板沖擊射流由中間的液膜區(qū)和外層的粗邊緣區(qū)組成。實際上，本課題的數(shù)值模擬方法即是通過和這篇文章的實驗結果對比來驗證數(shù)值計算的準確性。(1)關于沖擊射流在平板上的流動結構以下學者進行了研究，并確定了湍流為平板沖擊射流的主要結構，并分別解釋了湍流結構的由來與特點。GutmarkE.,WolfshteinM.&WygnanskiI.[13]最先開始用實驗的方法，研究了二維平板沖擊射流的湍流結構，運用光譜測量方法測量了平均速度、湍流強度和三個方向上速度的函數(shù)，并計算了這三個擾動分量的能量平衡。圖1-2垂直平板沖擊射流中軸線上的平均速度[13]結果表明，流線在近壁面處會被有選擇性的拉伸成渦，導致滯止區(qū)的流動呈各向異性。并在滯止區(qū)內的湍流中發(fā)現(xiàn)了一個中性頻率（如圖1-2），高于該中性頻率，能量通過粘性耗散而衰減，低于該中性頻率，通過渦旋拉伸機制增強。SAKAKIBARAJ.,HISHIDAK.&PHILLIPSW.[14]使用時間序列數(shù)字粒子圖像方法研究了平面撞擊射流的旋渦結構，發(fā)現(xiàn)在特征點理論下，等渦與等λ2（速度梯度張量的第二個特征值）的耦合面可以用來描述和確定“橫肋”湍流結構。并發(fā)現(xiàn)當橫肋和壁肋在噴射的對稱平面附近合并時渦量的產生是最大的。CrowSC,ChampagneFH.[15]進行了一項研究以確定噴射湍流可以進行有序描述，以及通過在噴射出口處施加的輕微周期性波動來增強和控制湍流頻率，并在某種程度上湍流混合，獲得一系列新的噪聲抑制技術使預測噴射噪聲的問題變得更加簡單。
中國民航大學碩士學位論文5和高階矩的細節(jié)。測量射流的一些特征顯示除與強制高雷諾數(shù)射流的觀測結果相對應。并發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)下，射流的初始區(qū)域由剪切層中的渦旋支配。同時利用統(tǒng)計矩和光譜分析證實了這一結果。WRQuinn,JMilitzer[22]給出了來自鋒利邊緣方形槽的湍流自由空氣射流的實驗和數(shù)值研究結果。在數(shù)值研究中，射流出口被視為橢圓形。實驗結果包括平均速度，湍流法向測量得到的剪切應力，以及皮托靜壓管與壓力傳感器一起獲得的平均靜壓。圖1-3中心向上的平均靜壓分布[22]實驗結果表明，在近場中存在明顯的平均流向偏離中心峰，其中也發(fā)現(xiàn)了正平均靜壓（如圖1-3）。此外，發(fā)現(xiàn)這種工況下的射流在近流場中比在相同測試條件下具有與方形槽相同的出口面積的圓形槽的射流明顯更快地擴散。Olsson.M.Fuchs.L.[23]進行了雷諾數(shù)為104的強制半圓形撞擊射流的大渦模擬（LES）。射流入口和壁面之間的間隔是四個射流入口直徑。因此，進行了四種不同的模擬。在沒有任何明確的子網(wǎng)格尺度（SGS）模型的情況下，分別使用1283和963個網(wǎng)格點進行了兩次模擬。使用963個網(wǎng)格點與兩個不同的SGS模型進行了兩次模擬，一個使用動態(tài)Smagorinsky模型，另一個使用壓力相似性模型。同時利用數(shù)值模擬方法研究了平均速度，湍流統(tǒng)計，SGS模型效應，以及聚焦于近壁區(qū)域射流的動態(tài)行為。確認了壁面噴射區(qū)域中分離渦的存在。發(fā)現(xiàn)這些二次渦流與自由射流的圓形剪切層產生的徑向偏轉的主渦流有關。還顯示壁面附近的主要渦旋結構是螺旋形的而不是軸對稱的。在SGS模型的模擬中發(fā)現(xiàn)了定量增益。并發(fā)現(xiàn)與其他粗網(wǎng)格模擬相比，應力相似模型模擬與更高分辨率的模擬相比略微更好，并且不同模擬之間在湍流強度方面的變化小于10％。RiesF,LiY,RimannM[24]使用了直接數(shù)值模?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]橫向氣流中液體圓柱射流的破碎特性和表面波現(xiàn)象[J]. 王雄輝,黃勇,王方,王少林,劉志林. 航空動力學報. 2012(09)
[2]流體機械CFD中的網(wǎng)格生成方法進展[J]. 劉厚林,董亮,王勇,王凱,路明臻. 流體機械. 2010(04)
[3]多點噴射燃燒室冷態(tài)流場特性研究[J]. 鄧甜,王方,黃勇. 工程熱物理學報. 2008(05)
[4]N-S方程的數(shù)值解法及其在水波動力學中應用的綜述[J]. 李紹武,尹振軍. 海洋通報. 2004(04)
本文編號：3209797
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