論文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了非均勻橫向氣流場(chǎng)中的液體射流的噴注特性和破碎過程。在實(shí)驗(yàn)方面,設(shè)計(jì)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)剪切載荷模式橫向氣流及旋轉(zhuǎn)模式橫向氣流中液體射流破碎現(xiàn)象的觀測(cè)。采用高速攝影儀記錄上述兩種非均勻橫向氣流場(chǎng)中液體射流破碎過程,并利用二值法對(duì)圖像進(jìn)行了處理。在數(shù)值模擬方面,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型研究無(wú)液體射流時(shí)的剪切載荷模式氣流流場(chǎng),對(duì)其進(jìn)行分析并以此作為后續(xù)研究的對(duì)比基準(zhǔn);采用VOF耦合Level Set方法計(jì)算液體射流在非均勻橫向氣流,包括剪切模式橫向氣流和旋轉(zhuǎn)模式橫向氣流中的破碎過程。對(duì)剪切載荷模式的橫向氣流進(jìn)行數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)隔板上下進(jìn)口氣流速度比(UR)不為1時(shí),氣流場(chǎng)會(huì)在出口下游區(qū)出現(xiàn)準(zhǔn)線性的速度分布梯度,形成剪切層并在尾流區(qū)生成渦旋。隨著UR絕對(duì)值增大或減小,即隔板上下進(jìn)口氣流間的速度差異增大,剪切層的梯度增大,同時(shí)尾流區(qū)的氣流渦旋尺寸也隨之增大并往上游發(fā)展,氣流場(chǎng)流線分布紊亂程度加劇。而氣流平均韋伯?dāng)?shù)We_(avg,g)對(duì)氣流場(chǎng)分布無(wú)明顯影響。對(duì)有液體射流進(jìn)入剪切載荷模式橫向氣流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)液體射流在射流實(shí)驗(yàn)段高度的中間位置處出現(xiàn)了明顯的二次彎折,液柱表面也經(jīng)歷了從光滑至出現(xiàn)一階非線性對(duì)稱波,螺旋狀波動(dòng),到最后斷裂的過程。結(jié)合數(shù)值模擬在相應(yīng)工況下的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)段高度中間位置氣流場(chǎng)中的剪切作用強(qiáng)度較大,氣動(dòng)力以較強(qiáng)的剪切力形式作用在液體射流表面;同時(shí)在液柱破碎斷裂處的截面上存在非對(duì)稱氣流渦旋導(dǎo)致的螺旋狀表面波,該表面波最終促成了液袋的形成。在對(duì)射流的噴注特性研究發(fā)現(xiàn),在所有實(shí)驗(yàn)工況中,液體射流穿透深度隨著液氣動(dòng)量比q增加而增加,同時(shí)也與隔板上下進(jìn)口氣流速度比UR存在正向關(guān)系,而與氣流平均韋伯We_(avg,g)無(wú)明顯直接關(guān)系。對(duì)旋轉(zhuǎn)橫向氣流場(chǎng)中的液體射流破碎過程分別采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的方法進(jìn)行了初步的探究。擬合了液體射流的運(yùn)動(dòng)軌跡,發(fā)現(xiàn)在弱旋流(旋流數(shù)小于0.6)的情況下,液體射流軌跡與均勻橫向氣流場(chǎng)中的無(wú)明顯差異甚至促進(jìn)射流的穿透深度,而在強(qiáng)旋流情況下(旋流數(shù)大于0.6)的情況下,液體射流穿透深度會(huì)被抑制。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)旋流情況下,旋流區(qū)尺寸會(huì)覆蓋液體射流區(qū),導(dǎo)致液體射流的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣流的湍動(dòng)能從而穿透能力減弱,而在弱旋流中,其旋流區(qū)尺寸并未足夠大,其旋流區(qū)邊緣的氣動(dòng)力主要以徑向作用為主,因而對(duì)液柱在穿透深度上有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)在數(shù)值模擬中可以發(fā)現(xiàn)在旋流器出口處會(huì)形成負(fù)壓區(qū),這可以解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的液柱軌跡往上游方向擺動(dòng)的現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果可推論出,當(dāng)上下進(jìn)口氣流速度比UR大于1時(shí),射流穿透深度較大,液體射流發(fā)生破碎所需時(shí)間較長(zhǎng),而當(dāng)UR小于1時(shí),穿透深度較低,較早發(fā)生破碎,在同樣時(shí)間內(nèi)液體射流破碎霧化效果會(huì)更好。另外,旋轉(zhuǎn)模式橫向氣流中液體射流破碎霧化的效果需要同時(shí)考慮旋流器強(qiáng)度以及噴嘴所處位置這兩個(gè)因素,這將為L(zhǎng)DWI型燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：中國(guó)民航大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O358
【文章目錄】：
摘要
Abstract
參量符號(hào)與角標(biāo)注釋
第一章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 航空燃?xì)廨啓C(jī)減排背景
        1.1.2 航空燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)保技術(shù)
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 液體射流在無(wú)橫向氣流中破碎霧化現(xiàn)象研究
        1.2.2 液體射流在均勻橫向氣流中破碎霧化現(xiàn)象研究
        1.2.3 液體射流在非均勻橫向氣流中破碎霧化現(xiàn)象研究
    1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容
第二章 實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法介紹
    2.1 橫向射流整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹
    2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各子模塊簡(jiǎn)介
        2.2.1 供氣模塊
        2.2.2 供液模塊
        2.2.3 光學(xué)觀測(cè)模塊
        2.2.4 實(shí)驗(yàn)所用噴嘴
        2.2.5 射流實(shí)驗(yàn)段
    2.3 數(shù)值模擬方法
        2.3.1 常用低速氣流中兩相流數(shù)值模擬方法介紹
        2.3.2 COUPLEDLEVEL-SETVOF方法原理
    2.4 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)值模擬邊界條件及工況設(shè)置
        2.4.1 實(shí)驗(yàn)方案
        2.4.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析
        2.4.3 數(shù)值模擬邊界條件和工況設(shè)置
        2.4.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
第三章 剪切載荷模式橫向氣流場(chǎng)中液體射流破碎特性研究
    3.1 無(wú)液體射流的剪切載荷橫向氣流場(chǎng)特性研究
        3.1.1 基準(zhǔn)組模擬結(jié)果
        3.1.2 相等平均流量組模擬結(jié)果
        3.1.3 相等上下氣流速度比值（UR）組模擬結(jié)果
        3.1.4 下方進(jìn)口氣流速度固定,上方進(jìn)口氣流速度變化對(duì)照組模擬結(jié)果
    3.2 剪切載荷模式氣流中射流破碎過程研究
        3.2.1 剪切載荷模式氣流中射流破碎實(shí)驗(yàn)研究
        3.2.2 剪切載荷模式氣流中射流破碎過程的數(shù)值模擬研究
    3.3 本章小結(jié)
第四章 旋轉(zhuǎn)橫向氣流中的液體射流現(xiàn)象研究
    4.1 旋轉(zhuǎn)模式氣流中液體射流軌跡研究
        4.1.1 弱旋流器產(chǎn)生橫向氣流中影響射流穿透深度相關(guān)因素研究
        4.1.2 強(qiáng)旋流器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)模式氣流中液體射流軌跡研究
    4.2 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 研究成果總結(jié)
    5.2 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2861638