PDF《液滴在激波冲击下的破裂过程》

1 4] 将VO F方法和标准k e湍流模型组合, 进行了液滴在气流中变形破碎过程的数值模 拟, 并分析了几个关键参数( W e b e r数、 O h n e s o r g e数、 气液密度比) 对液滴破碎过程的影响.其结果表 明, W e 对液滴变形破碎起促进作用, 而O h 和液气密度比起阻碍抑制作用. 本文中, 首先在水平激波管中进行激波与液滴作用的实验研究, 然后利用数值模拟技术计算该实验 条件下液滴破碎过程.再通过对比分析, 详细描述液滴在激波作用下的变形破碎过程. * 收稿日期:

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1 4 0609;

修回日期:

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1 4 1117』鹣钅:国家自然科学基金项目(

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7 7 ) 〉谝蛔髡:王〕(

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7 3―) , 男, 博士, 讲师;

通讯作者:施红辉, h h s h i @z s t u . e d u . c n . 1∈笛榉椒 ∷郊げㄗ爸檬疽馔既缤1所示.包括真空箱的激波管整体总长为1 2m.激波发生系统由高压 气瓶、 圆形高压段、 圆形低压段及方形低压段组成, 实验段通过法兰与方形低压段及真空箱连接, 两个压 力传感器安装在方形低压段, 用于测量激波马赫数.高速摄影仪放置在实验段的侧面, 在实验段的前后 侧板上装有透明的有机玻璃板, 上、 下板开有液滴下落入口和排液孔.实验段内截面尺寸为1

2 0mm120mm, 长为5

0 0mm.在实验段上方的液滴下落入口插入不同直径的尖针, 以便形成一个在实验段 自由下落的直径可控的液滴.控制破膜时间, 使入射激波刚好扫过下降的液滴, 用高速摄影仪拍摄整个 液滴的变形破碎过程. 图1 激波管装置示意图 F i g . 1S k e t c ho f s h o c kt u b e 2∈Ｐ陀爰扑惴椒 ≌攵砸旱卧诩げㄗ饔孟碌谋湫纹扑, 为了方便地模拟两相界面的变形情况, 数值模拟中选用基于 VO F模型的 R AN S方程, 湍流模型使用标准k e双方程模型.其二维控制方程组为如下通用形式: () t+(u) x+(v) y=x?è???÷x+y?è???÷y+S (1)式中: 盐较嗥骄芏, = 11+ ( 1- 1) 2, 其中

1、 1和 2分别表示气相质量分数、 气相密度和液相 密度;

为通用因变量, 其取值为

1、 u( x 方向速度) 、 v( y 方向速度) 、 E( 总能) 、 k( 湍流动能) 和( 湍流耗 散) 时方程分别对应连续方程、 动量方程、 能量方程、 湍流动能输运方程和湍流耗散方程;

嘉湓讼凳, 包括黏性输运( 根据气相质量分数加权计算[

1 5] ) 和湍流输运;

S 为源项, 主要为重力项、 压力作用项、 湍 流作用项和相间相互作用项等组成.方程中各项具体表达式及参数取值可参见文献[

1 5 16].图2 计算区域示意图 F i g . 2S c h e m a t i cd i a g r a mo f c a l c u l a t i n gr a n g e 「菀旱卧谄髦衅扑榈慕峁固氐, 选取了如图2所示的计算区域.其中计算区域尺寸为2c m8c m, 液滴直径根据实验数据分别为1.

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4、 2.

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6、 2.

4 6 mm.计算使用 AN S Y SF l u e n t软件中的 C o u pled求解器, 数值离散使用二阶 MU S C L 格式, 计 算区域网格数目为4 2万.波后区域参数根据运动 正激波解求得, 也以此作为左边界入口边界参数, 其他3个边界选自由出口边界.设定激波初始位置位 于液滴前缘上游2mm 处.在与实验结果对比时, 第1张图片的时刻均为激波通过后的0.

1 2 5m s . 3〗峁治 ∈笛椴捎 W e( W e b e r数) 与O h( O h n e s o r g e数) 来分析液滴破碎变形, 其具体计算公式分别为: W e = au2d0/w和O h= w / wd0w,We表示惯性了力和表面张力之比, O h 表示黏性力和表面张力之比. 其中, a为空气密度, u 为波后气流速度;