液滴碰撞動力學(xué)與層流預(yù)混火焰動力學(xué)的研究.pdf

1、內(nèi)燃機噴霧燃燒是多相、多尺度、強烈非線性的科學(xué)問題，包含諸多液滴動力學(xué)和火焰動力學(xué)基本物理現(xiàn)象。從機理層面深入認識這些基本物理現(xiàn)象是實現(xiàn)高效、清潔燃燒的重要理論基礎(chǔ)。本課題針對液滴碰撞動力學(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算平臺，并首先對其廣泛應(yīng)用的偽勢類多相流模型進行了評估分析。結(jié)果

2、表明，數(shù)值穩(wěn)定性和兩相共存密度均與松弛時間相關(guān)，且界面虛假速度處于較高水平。在此基礎(chǔ)上，對基于相場方法的Lee多相流模型進行改進，通過采用多松弛時間碰撞算子并進行柱坐標變換，實現(xiàn)了高密度比和低流體粘性下軸對稱兩相流問題的穩(wěn)定模擬。實驗驗證結(jié)果表明，改進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。
　　基于改進的多相流模型，開展了牛頓流體液滴碰撞動力學(xué)的模擬研究。結(jié)果表明，液滴碰撞過程中存在強烈的流場應(yīng)變，Weber數(shù)

3、（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。
　　認識到液滴變形過程中存在強烈流場應(yīng)變以及粘性耗散對內(nèi)部混

4、合的決定性影響后，進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)，對于低We數(shù)液滴融合，剪切變稀效應(yīng)顯著促進液滴內(nèi)部第一類射流的產(chǎn)生，而小液滴對該過程起主導(dǎo)作用;對于有限We數(shù)的液滴碰撞，剪切變稀/變稠效應(yīng)分別促進/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稱性，實現(xiàn)內(nèi)部混合的強化，這種強化效果也隨著流變性差異的增加而增強。上述結(jié)果在加深對于噴霧燃燒過程中液滴碰撞現(xiàn)象的認識之外

5、，也對新一代凝膠自燃推進劑火箭發(fā)動機燃料系統(tǒng)設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。具體而言，可通過打破液滴碰撞的尺寸對稱性（燃料/氧化劑分別采用不同尺寸的噴嘴）和流變性對稱性（燃料/氧化劑進行不同程度的凝膠化）等手段來提高該類發(fā)動機的點火穩(wěn)定性。
　　在液滴動力學(xué)研究基礎(chǔ)上，意識到預(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。基于該認識，提出了用于預(yù)混火焰模擬的擴散界面方法，將火焰視為具有厚度的