湍动雾化流场的数值模拟.doc

中国计量学院本科毕业设计（论文）湍动雾化冲击射流场的数值模拟Numerical simulation of turbulent atomization impinging spray 学生姓名 谢德志 学号 1000101231 学生专业 机械设计制造及自动化 班级 10机械2班 二级学院 机电工程学院 指导教师 钱丽娟 中国计量学院2014年5月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： TP6 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文）湍动雾化冲击射流场的数值模拟Numerical simulation of turbulent atomization impinging spray 作 者 谢德志 学号 1000101231 申请学位 工学学士 指导教师 钱丽娟 学科专业 机械设计制造及其自动化 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 王晓林 评 阅 人 梁喜凤 2014年5月致 谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师钱丽娟表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！ 在学校的学习生活即将结束，回顾四年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到 钱老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，钱老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和她敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘我的钱老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向她表示衷心的感谢，感谢她为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向钱老师致以最崇高的谢意! 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!祝福我的母校中国计量学院明天更加的辉煌，更加美好。谢德志二0一四年五月于中国计量学院湍动雾化冲击射流场的数值模拟【摘要】：本文研究的对象是气液两相流场，对水在空气中湍动雾化冲击射流进行了数值模拟。其中，湍流场采用LES大涡模型进行模拟。对喷雾颗粒轨迹追踪采用基于拉格朗日方法的DPM模型，应用了粒子破碎和碰撞的数值模型。本文利用Fluent软件，对湍动雾化冲击射流场进行数值模拟，通过对影响雾化效果的一系列重要工况参数以及喷嘴几何参数进行单一变量分析，如有无挡板，挡板的位置，喷嘴口径，入射压力，气液质量流量比等,对计算过程和实验数据进行对比验证，分析上述各单一变量对雾化效果所产生的影响。关键词：雾化；气液两相流； 数值模拟；FLUENT中图分类号：TP6Numerical simulation of turbulent atomization impinging sprayAbstract: In this paper, the gas-liquid two-phase flow field of turbulent atomization impinging for water in the air, what is The object of this study ,and it is numerical simulated . Among them, the gas flow field is simulated using large eddy simulation (LES) model. On the analysis of the spray particle movement using particle track method, the particle breakup and collision of numerical model is established. One of the most important work, is the numerical simulation of turbulent atomization impact jet flow field using Fluent software ,Through analyzing the single variable in the series of important parameters of working condition and geometric parameters of nozzle, which can affect the atomization effect ,Such as presence of baffle, the position of the baffle , nozzle diameter, the incident pressure, gas-liquid mass flow ratio , etc, by comparing and verifying calculation process and the experimental data ,analyzing the influence ,which every single variable above all to the external flow field of turbulent atomization impact Jet flow.Key words: atomization; Gas-liquid two phase flow; Numerical simulation; FLUENT Chinese library classification number: TP6目 次摘要IAbstractII目 次III1 绪论11.1 引言11.2 雾化概述11.2.1 机械雾化11.2.2 介质雾化11.2.3 特殊喷嘴雾化21.3 影响喷嘴雾化能力的因素21.4 改善喷嘴雾化的途径21.5 国内外研究情况31.6 数值模拟技术41.7研究的内容和意义51.7.1 研究的意义51.7.2 研究内容概述52 基本原理概述62.1 引言62.2计算流体动力学概述62.3 数值模拟方程62.3.1 控制方程62.3.2 湍流方程82.4 多相流模型92.4.1 多相流概述92.4.2 VOF模型92.4.3 混合Mixture模型92.4.4 欧拉Euler模型103 外部流场计算域结构模型的初步处理113.1 引言113.2 ICEMCFD软件简介113.2.1 ICEM软件的主要特点和功能概述113.2.2 ICEMCFD的网格划分模型113.3 外部流场计算域结构模型的网格划分124 FLUENT软件及数值模拟154.1 引言154.2 FLUENT软件概述154.3 数值模拟求解的一般步骤165 数值模拟结果及分析195.1 引言195.2 气液质量流量比不同情况下的数值模拟195.3 喷嘴口径不同情况下的数值模拟225.4 液滴粒子数不同情况下的数值模拟255.5 挡板有无情况下的数值模拟265.6 结论27参考文献29学位论文数据集：31III中国计量学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 引言 气液雾化喷嘴的普遍利用几近涵盖了全部工业领域，在农业生产中，能够使用雾化喷嘴来喷洒农药；工业制造中的应用更为广泛，喷涂、除尘，车间加湿，工业燃烧和内燃机工程领域等；家庭的淋浴喷嘴也应用了液体的雾化技术。相对其它形式的喷嘴，气液雾化喷嘴可以获得更为理想的液滴分布和良好的雾化效果。本文结合前人的研究成果，湍流场计算采用LES大涡模型，颗粒追踪采用基于拉格朗日方法DPM模型，应用了破碎和碰撞两种模型。由此对轴对称三维射流的流动过程进行模拟，研究雾液粒径的分布情况。探讨在不同工况参数以及喷嘴几何参数条件下，特别是在有无挡板的情况下，湍动雾化冲击射流外部流场在流型，卷吸现象及雾化效果方法的区别，进行相关参数化分析。通过对其特点的分类分析，指出气液雾化喷嘴在不同条件下的适用范围。1.2 雾化概述1.2.1 机械雾化 机械雾化主要是靠液体在压差作用下产生的高速射流使自身雾化，因此可分为直射式喷嘴、离心式喷嘴和旋转式喷嘴。 直射式雾化和离心式雾化可统称为压力雾化。直射式喷嘴主要依靠水的喷射达到雾化的目的，水压要求比较高，而且喷孔直径越大雾化越粗，故喷孔直径不能太大，流量调节范围比较小。 离心式喷嘴是利用高压水经旋流装置产生的离心力产生液膜，被空气破碎而雾化。离心式雾化的效果优于直射式雾化，但是它同样需要较高的供水压力，因此应用条件有所限制。 旋转式喷嘴大体上分为旋转体型和旋转喷口型两大类。旋转体型又分为转杯式和旋盘式。转杯式雾化是将水喷入圆锥形转杯的前端，借助高速旋转的转杯将水展成薄膜，由“离心力喷雾和“速度喷雾”的综合作用而雾化液体。同理，旋盘式雾化是依靠高速旋转的圆盘来雾化液体。1.2.2 介质雾化根据雾化方式的不同又分为气动雾化和气泡雾化，气动雾化喷嘴应用广泛。气动雾化喷嘴依靠一定压力的气体(压缩空气或蒸汽)形成高速气流，使空气与水之间形成很高的相对速度以达到雾化的目的。其优点是可以在较低的水压下获得良好的雾化效果，并且工作状况可以在较大的范围内调节。但动力源不单一，系统构成复杂。1.2.3 特殊喷嘴雾化特殊喷嘴一般采用超声波、电磁场、静电作用等原理进行雾化。这类喷嘴虽然在其他一些工业应用中效果良好，但因煤矿井下环境恶劣所致，应用较少。1.3 影响喷嘴雾化能力的因素 a. 压力型喷嘴 应用压力型雾化喷嘴(直射式和离心式)，入射压力高，不仅可以获得细微的颗粒，还使颗粒运动速度大、空间含量大。依据实际应用的要求，参照相应的曲线图来选择合适的压力可以达到良好的效果和最佳的经济效益。 b. 两相型喷嘴 对于两相型喷嘴，其雾化能力受以下因素的影响:1) 混和管直径及长度的影响 混和管内径变小，能增加气液两相的相对速度，有利于雾化，但这又会影响雾化粒子的重新聚和。因为混和管太长，气体能量损耗也多，所以会使液流雾化变差；如果混和管太短，气体能量就不能得到充分利用，造成液流雾化不充分。 2) 喷头的影响 因为缩小出口面积会提高出口压降，所以导致气液两相混和物的加速作用明显增强，而气液两相间的相对速度增大，也促使液相破碎得更细。但是，出口压降的增大必然会增加混和管内的压强，从而导致混和管内气液两相的相对速度减小，这又会使雾化变差。 3) 气液比与雾化粒径的关系 随着气液比的增大，雾化粒径呈减小的趋势。因此，增加气液比可增加气液两相的相对速度，使液膜破碎得更细。但是，气液比增大到一定程度后，粒径的变化反而不明显。 4) 液滴浓度随气液比的变化 随着气液比的增大，水的颗粒浓度呈减小趋势，这是因为水在空气中的质量分数的减小造成的。 1.4 改善喷嘴雾化的途径 根据雾化机理和实验研究，改善喷嘴雾化的途径主要有以下几个方面: 1) 增加气液两相的相对速度差以增大气动力，使液滴在较大气动力的作用下，破碎得更细。2) 提高液相喷嘴的出口速度以增强对撞，使相对喷出的液滴在对撞时能够进一步破碎。实验发现，若液滴出口速度小，则会聚成大液滴，若液滴出口速度大，可改善雾化的程度。但是，这样会使气液的相对速度减小，使气动力雾化液滴变差。 3) 实验结果表明，喷头、混合管的几何形状和尺寸对雾化性能的影响很大。因此，在设计模型时，除分别考虑它们对雾化的影响外，还应考虑它们结合在一起后的整体性能的变化。 4) 研究液体流量、压力和喷嘴几何尺寸、结构形状的关系，提高雾化效果。特别是压力对雾化效果影响较大，压力越高，水雾颗粒越细。 图1.1 内混式喷嘴结构示意图1.5 国内外研究情况 喷嘴种类的繁多及其广泛的应用，表明了喷嘴技术的快速发展。喷嘴技术的发展突出表现在喷雾方式、结构的多样化和多适用性。此外，质量评定指标的扩展和检测手段的发展和完善也在某种程度上体现了喷嘴技术的进步。工业技术的进步和发展，多种燃料、物料的喷雾需求，节能和环保要求的日益提高，共同推动了喷嘴技术发展。为了利用小型发动机高转速和发动机折流燃烧室的结构特点，喷雾质量非常好的离心甩油盘得到了广泛的应用。为减轻工人劳动条件和完善燃烧装置的管理，工业炉和锅炉上采用的手工操作的燃烧装置，逐步被机械化、自动化的燃烧装置取而代之。电子计算机的问世，使得燃烧学和喷雾学领域研究的模拟计算中所遇到的复杂问题，具备了快速求解的条件。近年来，国内外广泛开展了燃烧过程（包括燃料喷射、喷雾）数值计算的研究工作，在基本方程、理论模型、数值模拟和计算机程序方面均取得了快速的进展。现在，我们已经可以对大型工业炉、燃气机轮燃烧室、内燃机、火箭发动机和各种工业炉窑等系统中所进行的实际工业过程进行数值分析及模拟计算。在过去的20年中，喷雾科学与技术取得了长足的发展，其应用领域也在不断地扩大。喷雾学已然成为一个国际性的研究领域，该学科的发展主要体现在喷雾数学模型的进展、数值模拟计算分析的不断完善和光学测试技术的开发与改进。其中，雾化机理的研究一直是喷雾科学与技术的难点之一，直至目前也未全部完善。这一学科的物理模型和数学模型的建立要求研究者具备非常扎实的流体力学和数学知识。对于各种边界条件的正确确定和数学推导的严密性要求亦非常之高，有时甚至需要反复的研讨才会有所进展。针对上述的科学与技术方面，我国已经取得了很多的成果，其中涉及到喷嘴技术、雾化机理、数值建模和实验研究等许多方面。表1-2中简要的列举了2001年至今国内有关这些方面的研究成果。年份作者内容2001陈斌等雾化特性的实验研究，给出了压力对于雾化效果的影响2002胡文瑞等研究高温液体熔模的喷涂，重点分析了非牛顿流体的二阶流体模型2003宋玉宝等采用Monte-Carlo方法对Y 型喷嘴液膜随机破碎的模型进行了研究2004芦秋敏等对雾化喷射冷却过程进行了数值建模2005杜青等不同条件下(高速、高温、粘性等)液体破碎的机理研究2005田春霞等喷嘴雾化技术进展2006李萍等内混式气液雾化喷嘴雾滴粒径的实验研究2007刘纯林等工作参数对内混式气液雾化喷嘴性能的影响2010方立军等压力式喷嘴雾化性能的试验研究2011何志霞等柴油机喷嘴内空穴流动可视化试验与数值模拟表1-1 国内相关研究成果以上概述了国内外的研究情况，我国在各个领域中跟踪世界先进技术，大多已经被掌握和应用，在某些领域，国内也有所创新。但是，与国外先进水平的差距还是较大的。同时，我们发现关于研究湍动雾化冲击射流场的数值模拟的文献很少。而从上一节我们已知，气液雾化内混式喷嘴在多个领域都存在非常重要的应用，湍动雾化冲击射流场的数值模的分析，将有助于气液雾化内混式喷嘴工作参数、工作情况和雾化性能等指标的研究。1.6 数值模拟技术数值模拟技术是自上世纪70年代以来，数值分析学、现代数学计算机、计算流体力学(CFD)、计算燃烧学(CCD)、数值传热学(NH)等学科的发展和相互结合的成果。数值模拟技术的发展，使得工程设计和科学研究计算中所遇到的复杂问题具备了求解的条件，它可以使复杂的问题很快地被解决并得到准确的结论，并且具有通用性强的特点。本文所需要使用到的学科主要是数值分析学、现代数学计算机和计算流体动力学部分。而计算分析流体动力学的代表商业软件就是ANSYS Inc.公司发布的FLUENT软件。FLUENT软件是一款专门用以模拟和分析复杂几何区域内流体流动与传热现象的专业软件，符合本次研究所需要满足的条件，可以生成本次研究所需的图像、数值分析结果。因此，本文使用FLUENT软件来完成所需要的工作。1.7研究的内容和意义1.7.1 研究的意义喷射与雾化是传质传热分析的重要基础。在大多数工程应用中，喷雾的目的是为了增强质量和热量的传递。由于喷雾的重要性，它被深入研究了80年以上。由于可以获得更加理想的液滴分布和更加良好的雾化效果，内混式气液雾化喷嘴在工业燃烧和内燃机等工程领域中的应用也非常的广泛。因此，结合目前国内外内混式喷嘴外部气液两相流场的研究较少的情况下和内部混合式气液雾化喷嘴在工业工程燃烧、非燃烧领域的重要性，决定对内混式喷嘴外部气液两相流场的数值模拟进行研究。1.7.2 研究内容概述湍动雾化冲击射流场的数值模拟可以研究的内容非常多，综合考虑研究者自身所具备的知识水平、时间因素和计算机处理能力等因素，本次研究利用FLUENT软件研究以下几个问题：（1） 在将计算过程和实验数据进行对比验证后，对影响雾化效果的一系列重要工况参数及喷嘴几何参数进行分析，如喷嘴口径，挡板的位置，入射压力，气液质量流量比等。（2） 通过计算分析有挡板及无挡板的雾化射流外部流场在流型，卷吸现象及雾化效果方法的区别，进行相关参数化分析。2 基本原理概述2.1 引言本章对本文所使用到的基本原理进行简明的介绍。其中包括CFD模拟技术和FLUENT软件在进行数值模拟分析计算时所用到的基本原理。掌握基本原理，有助于本次研究的进行和对研究结果进行评价。2.2计算流体动力学概述计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是21世纪流体力学领域的重要技术之一，其采用数值模拟的方法，使用计算机技术来对流体力学的控制方程进行求解的一门学科。从而，我们可以对可预测流场的流动的预测。目前，已经有很多种商业CFD软件问世，比较常用和有名的就是：FLUENT、Star-cd、CFX等。计算流体动力学最基本的一个考虑就是如何将连续的流体在计算机上用离散的方式进行处理。其中一个方法就是将空间区域离散化后变成一个个的小胞腔，来形成一个立体的网格或者格点，然后应用适当的计算方法来求解这个运动方程。此外，这样的一个网格或者格点可以是规则的也可以是不规则的，后者的主要特征就是每一个胞腔都需要分别单个地保存在处理机的内存里。需要说明的是，如果需要解决的问题在尺度上的跨越非常大而且是非静态的，那网格本身也应该是非静态的，并且可以自行地调整。如今的计算机的处理能力还十分有限，如果一味的按照实际情况进行模拟计算分析，那么计算的时间和难度都将非常的大。所以从目前的角度出发，模拟计算分析往往可以通过简化的方式来进行模拟。这种情况下的模拟，我们可以通过引入湍流模型的方式来模拟湍流的特征，从而减小模拟的难度，缩短了模拟的时间。在非常多的实例中，其他的方程也要求同时被求解。这些其他的方程可能包括描述化学反应，种类的浓度，传热问题等。所以，大量的高级代码将允许更加复杂的情形模拟，包括涉及到多相流或者非牛顿流体。2.3 数值模拟方程本文所使用的软件为FLUENT，该软件在进行数值模拟计算过程中主要包含的方程有三类：控制方程、湍流方程以及状态方程。本节就对这些方程做一个简要的介绍。2.3.1 控制方程流体的流动要受到物理守恒定律的支配，而其最为基本的守恒定律包含：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。若流体的流动包含有不同组分的混合或者相互的作用，系统还要遵守组分守恒定律。若流体的流动处于湍流的状态，系统还要遵守附加的湍流运输方程。（1）质量守恒方程（又称为连续性方程）： （2-1）式中，是密度，t是时间，V是速度矢量，源项是加入到连续相的质量。任何的流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内流通微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。（2）动量守恒方程: （2-2）式中，p是流体微元体上的压力；g和F分别代表作用在微元体上的重力体积力和其他外部体积力，F还包含了其他的模型相关源项；是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力张量，对于牛顿体，粘性应力与流体的变形率成比例，有： （2-3）对于其他的非牛顿流体，粘性应力与流体的变形率成非线性关系，具体本构关系式可查阅相关的资料。动量守恒定律同样也是任一流动系统都必须满足的基本定律，其本质就是牛顿第二定律。该定律可以表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。（3）能量守恒方程： （2-4）式中，代表流体微团的总能，即内能和动能之和。能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，其本质是热力学第一定律。该定律可以表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上体积力与表面力对微元体所做的功。（4）组分质量守恒方程： （2-5）式中，Yi是组分i的质量分数，Ji是组分i的扩散通量，Ri为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应消耗或生成该种组分的净生成率，Si通过其他方式所生成该种组分的净生产率以及用户自己定义的其他质量源项。在某一个特定的系统内，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，这其中的每一种组分都需要遵守组分质量守恒定律。对于一个确定的系统而言，组分质量守恒定律可以表述为，系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面的净扩散通量与通过化学反应生成或消失的该组分的净生产率之和。这一组分质量守恒方程也通常简称为组分方程。一种组分的质量守恒方程实际上就是一个浓度运输方程。当水流或者空气在流动过程中携带有某种污染物时，污染物的传输过程包含有对流和扩散两个部分，污染物的浓度会随着时间和空间的变化而发生变化。因此，组分方程在有些情况下就被称为浓度运输方程，或浓度方程6,18,20。（5）通用微分方程： (2-6) 式中，表示因变量，表示扩散系数，S表示源项。上述通用微分方程中的四项分别代表了不稳态项、对流项、扩散项和源项。其中的因变量可以代表不同的物理量。与此相对应，其他的变量也都必须赋予相对应的扩散系数以及赋予源项以适当的意义24。2.3.2 湍流方程湍流是自然界和工程装置中非常普遍的流动类型，湍流运动的特征是在运动过程中流体质点具有不断的随机的相互掺混的现象，速度和压力等物理量在空间上和时间上都具有随机性质的脉动。此次数值模式所采用的是大涡模拟方法（Large Eddy Simulation,简称LES）。（1）直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，简称DNS）：这种数值模拟方法的最根本的，即在湍流尺度的网格尺寸内求解三维瞬态的控制方程。但是，直接数值模拟需要分辨出所有空间尺度上涡的结构和所有时间尺度上涡的变化，所需要的网格数和时间步长的要求都是非常的苛刻的。对于这一个现状，现有的计算机的能力还远远不能够达到。DNS方法对于处理机的苛刻要求使得它的应用还仅仅限制于一些低雷诺数的流动机理的研究当中，无法用于真正意义上的工程计算。（2）大涡模拟方法（Large Eddy Simulation,简称LES）：这种模拟方法仅次于DNS法，即其放弃对于在全尺度范围上的涡的运动模拟，而是只将比网格尺度大的湍流运动通过直接求解瞬态控制方程计算出来，针对与小尺度的涡对大尺度的运动的影响则通过建立近似的模型来模拟。但是，这种数值模拟方法对于内存和CPU的要求仍然非常高，目前在工作站和高档PC机上已经可以开始开展LES的工作。（3）雷诺平均法（Reynolds Averaged Nav-Stokes，简称RANS）：传统的工程设计只需要知道平均作用力和平均传热量等参数，即只需要了解湍流所引起的平均流场变化即可。在本文使用的FLUENT软件中提供了RANS模型包括：单方程模型，双方程模型（k-）模型系列：标准k-模型，RNG（重整群方法）k-模型，雷诺应力模型等等。2.4 多相流模型2.4.1 多相流概述在实际的工程问题中，我们会遇到大量的多相流动。物质的相，一般来说就是气态、液态和固态三种状态。但是在多相流的模型中，相的概念是广义的，即相的概念可以定义为具有相同类别的物质。通常，我们将多相流分为四类：气液或者液液流动、液固流动、气固流动和三相流动。要解决一个实际的多相流问题，首要要解决的问题就是去挑选出最能符合要解决的实际问题的多相流模型，确定相与相之间耦合的程度，针对不同程度的耦合情况来选择适当的模型。在FLUENT软件中提供的一些封闭模型是早期的一些研究成果，对于这些模型都还有待理论研究和实验研究的进一步检验。用户也可以以FLUENT软件为平台，利用UDF功能研究和开发新的多相流封闭模型。在FLUENT软件中，提供了三种多相流模型，分别为VOF模型，混合Mixture模型和欧拉Euler模型。本次数值模拟所采用的是混合Mixture模型。下面，对这三种多相流模型进行简要的介绍。2.4.2 VOF模型VOF多相流模型通过求解一套动量方程和跟踪穿过计算域的每一种流体的容积分数来模拟两种或多种不能混合的流体。典型的应用包括预测射流衰竭、流体中大气泡的运动和气液界面的稳态和瞬态处理等等。另外，在FLUENT软件中，VOF多相流模型通常用于计算瞬态问题。而对于只关心定常解的问题，它也可以用来执行定常模拟计算。稳态的VOF多相流模型计算只能用于最终的解不依赖初始条件并且各相均有明显的流入边界的情形。2.4.3 混合Mixture模型混合模型是一种简化了的多相流模型，它用来模拟各相具有不同速度的多相流，其基本的假设是在短距离空间尺度上的局部平衡，相与相之间是强耦合。混合模型也用于模拟有强相之间耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。另外，混合模型还可以用于计算非牛顿流体的粘性。2.4.4 欧拉Euler模型欧拉模型可以模拟多相的流动，及相间的相互作用。多相可以是液体、气体、固体几乎任意的组合。理论上来说，只要有足够的内存，任意多个第二相都是可以模拟的。但需注意的是对于复杂的多相流流动，解会受到收敛性的限制。3 外部流场计算域结构模型的初步处理3.1 引言ICEMCFD软件计算域的初步处理即外部流场计算域结构模型的网格划分主要包括三个部分：外部流场计算域结构模型的建立、外部流场计算域结构模型的边界定义和外部流场计算域结构模型的网格生成。本次研究所使用的FLUENT软件包中所包含的预处理软件ICEMCFD为软件，本章以ICEMCFD软件为例对预处理的三个部分进行简要的介绍。3.2 ICEMCFD软件简介作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时,作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势。ICEM作为fluent和CFX标配的网格划分软件，取代了GAMBIT的地位。3.2.1 ICEM软件的主要特点和功能概述l 直接几何接口（CATIA, CADDS5, ICEM Surf/DDN, I-DEAS Solid Edge, Pro/ENGINEER 等）；l 忽略细节特征设置：自动跨越几何缺陷及多余的细小特征；l 对CAD模型的完整性要求很低，它提供完备的模型修复工具，方便处理“烂模型”；l 一劳永逸的Replay技术：对几何尺寸改变后的几何模型自动重划分网格；l 方便的网格雕塑技术实现任意复杂的几何体纯六面体网格划分；l 快速生成自动生成六面体为主的网格；l 自动检查网格质量,自动进行整体平滑处理，坏单元自动重划,可视化修改网格质量；l 超过100种求解器接口： 如FLUENT、ANSYS、CFX、LS-DYNA等；3.2.2 ICEMCFD的网格划分模型本文应用的网格形式为六面体网格。l Hex Meshing 六面体网格ANSYS ICEM CFD中六面体网格划分采用了由顶至下的“雕塑”方式，可以生成多重拓扑块的结构和非结构化网格。整个过程半自动化，使用户能在短时间内掌握原本只能由专家进行的操作。采用了先进的O-Grid等技术，用户可以方便地在ICEMCFD中对非规则几何形状划出高质量的“O”形、“C”形、“L”形六面体网格l Tetra Meshing 四面体网格四面体网格适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分。在ICEM CFD中四面体网格的生成实现了自动化。系统自动对已有的几何模型生成拓扑结构。用户只需要设定网格参数，系统就可以自动快速地生成四面体网格。系统还提供丰富工具使用户能够对网格质量进行检查和修改。l Prism Meshing 棱柱型网格Prism网格主要用于四面体总体网格中对边界层的网格进行局部细化，或是用在不同形状网格（Hex和Tetra）之间交接处的过渡。跟四面体网格相比，Prism网格形状更为规则，能够在边界层处提供较好的计算区域。 3.3 外部流场计算域结构模型的网格划分1) 网格划分的具体步骤概述边界定义面的构建点的构建线的构建周期性网格参数设置：旋转性填充流体介质块的边线与几何边线 关联约束周期性块的定义块分割：提高网格的质量输出网格转化为适合模拟计算的非结构化网格初步评估网格质量网格进一步划分 2) 外部流场计算域结构模型的建立外部流场计算域结构模型初步处理的第一步就是建立抽象化和简化的计算域模型。这是我们在进行流体动力学数值模拟分析之前，对研究的实际问题抓住其本质的一个过程。这样，我们就可以在计算机上采取各种形式、方法将所研究的实际问题展现出来。由于ICEMCFD软件拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力，因此，我们通常选用ICEMCFD软件本身进行二维或者三维的建模。本文主要研究的内容是内混式喷嘴外部气液两相流场的数值模拟，计算域模型很显然是喷嘴的外部射流场。3) 外部流场计算域结构模型的边界定义ICEMCFD软件中，在边界定义面板（如图2.1所示）选项中，我们可以指定计算域中任意的线段为任意的边界，根据具体情况具体设定。完成一次边界定义的设定通常需要指定边界和设定定义边界的名称。在后续的FLUENT求解器，将设置已定义边界的边界类型和边界参数，边界类型主要分为四大类：进口和出口边界条件（压力入口/出口、速度入口/出口、充分发展出口等），壁面、轴类边界条件，内部面边界（风扇、散热等）。计算区域的所有边界皆应该定义。 图2.1 边界定义面板 图2.2 网格划分面板4) 计算域网格的划分ICEMCFD软件中，在网格划分面板（如图2.2所示）选项中，需要设定的参数有：需要划分的区域、网格的类型、划分间隔的数量以及附加选项。根据网格划分区域的复杂程度，网格的类型和划分间隔数量的不同，所需的时间也不同。通常来说，计算域越复杂，间隔数量越多，所需的时间也就越长。所有参数设定完成后，点击应用按钮，然后通过软件的一系列计算分析就可以完成所需网格的划分。此外，在结构模型内部我们默认为固体形式，因此我们需要进行流体介质的填充。在计算域网格划分完成后，我们需要对网格质量进行初步的评估。最后，计算域网格输出前，我们需要将网格转化为适合模拟计算的非结构化网格。以上步骤，如图3.1-3.3所示： 图3.1填充介质 图3.2评估网格质量 图3.3转化网格型式 通常，行列式的值在0.3以上可以为大多数求解器接受。如图3.4所示，行列式最小值是0.599，最大值是0.934，平均值在0.7-0.8之间，可以看出，网格质量很好，完全可以满足fluent软件模拟计算时对网格的质量要求。 图3.4 网格质量数据4 FLUENT软件及数值模拟4.1 引言在数值模拟中，非常重要的部分就是求解器和后处理，FLUENT软件就具备这些内容。本文使用FLUENT软件对所需解决的问题进行数值模拟以及后处理，本章对两个部分分别进行简明的介绍。4.2 FLUENT软件概述CFD商业软件FLUENT，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度，灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流方面拥有广泛应用。目前ICEM是与FLUENT配合最好的标准网格软件。1) FLUENT软件的基本特点（1）FLUENT软件提供了非常灵活的网格特性，可以支持多种网格。（2）用户可以自行选择使用结构化网格或者非结构化的网格来划分复杂的几何计算域。（3）FLUENT软件模拟计算的结果可以采用云图、等值线图、矢量图、剖面图、XY散点图、动画等多种方式进行显示、储存和打印，也可以将计算结果保存为其他CFD软件所支持的格式。（4）FLUENT软件提供了用户编程接口，用户可以在FLUENT软件的基础上定制、控制相关的输入输出，并进行二次开发。FLUENT软件可以建立三角形、四面体、六面体、四边形、棱柱、楔形、棱锥、金字塔形及多面体等等多种网格。FLUENT软件可以计算二维单精度、二维双精度、三维单精度以及三维双精度的流体流动问题。在模拟计算的过程中，网格可以根据模拟计算的结果来进行自适应的粗化或者细化。2) FLUENT的适用范围FLUENT软件适用的范围非常的广泛，主要的范围如下：稳态和非稳态问题；可压缩与不可压缩的流动问题；无黏流、层流及湍流问题；非牛顿流体和牛顿流体问题；对流传热问题；导热与对流传热耦合问题；辐射换热问题；惯性坐标系及非惯性坐标系下的流动问题；一维风扇、热交换器性能的模拟计算问题；两相流问题；复杂表面形状下的自由面流动问题等等。3) FLUENT求解方法选择FLUENT软件的求解方法主要分为两大类：非耦合求解法和耦合求解法。其中，耦合求解法还分为耦合显式求解法和耦合隐式求解法。其中，耦合求解法主要适用于高速可压缩流体的流动问题；而非耦合求解法主要是适用于求解不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动问题。但必须注意的是，在FLUENT软件中的默认设置是采用非耦合求解法进行求解，而在求解实际的工程问题时，通常推荐采用耦合隐式求解方法来求解动量和能量方程，一般能够比较迅速的得到所需的收敛解。如果必须要采用耦合求解法进行求解，但是处理机的内存不足而无法求解时，可以考虑采用耦合显式解法器来求解所需解决的问题。4.3 数值模拟求解的一般步骤FLUENT软件数值模拟求解步骤框图：网格的导入和调整 材料参数的设置 物理模型的选择与设置边界条件的设置执行求解结果的后处理网格的导入与调整: MESH格式的网格文件导入至FLUENT软件中后（如图4.1）,由于FLUENT软件默认的长度单位为米，但是，在建立计算域模型时，我们往往使用厘米、毫米等单位进行绘图。因此，我们需要使用网格比例缩放选项来对网格的尺寸进行修正。尺寸修正完成之后，首先对网格文件进行检查（如图4.2所示）。一方面，我们从中可以获知计算域是否符合分析所需的尺寸；另一方面，我们可以知道最小网格体积的数值。如果该数值小于零，那么，我们必须重新划分网格。图4.1 网格导入图4.2 网格检查结果（合格）材料参数的设置:流体材料的设定，包括物性参数的计算方程和参数设定的过程。本文研究对象是水流的湍动雾化，在材料参数设置面板（如图4.3）中，由于参数设置较为简单，此处不再赘述。在喷嘴定义设置面板（如图4.4）中，我们将创建一个喷射源，并对喷射源的相关参数进行设定。其中，喷嘴射出方式设定为气泡雾化，颗粒类型设定为液滴形态。此外，我们还需对喷射源的点性质和湍流扩散等方面进行参数设定。 图4.3材料参数设置面板 图4.4喷嘴定义设置面板物理模型的选择与设置:对云湍流场计算模型，我们采用的是LES大涡模型。大涡模型模拟方法仅次于DNS法，即其放弃对于在全尺度范围上的涡的运动模拟，而是只将比网格尺度大的湍流运动通过直接求解的瞬态控制方程计算出来。对于粒子计算，我们采用的是拉格朗日方法追踪颗粒的DPM模型，建立了破碎和碰撞两种模型。边界条件的设置:FLUENT求解器中，我们将设置已定义边界的边界类型和边界参数，边界类型主要分为四大类：进口和出口边界条件（压力入口/出口、速度入口/出口、充分发展出口等），壁面、轴类边界条件，内部面边界（风扇、散热等）。其中，我们将液体入口（liquid-inlet)设置为速度入口（velocity-inlet),将液体出口（liquid-outlet）设置为压力出口（pressure-outlet),将外部壁面（outer-wall）设置为壁面形式（wall)。执行求解:FLUENT求解器中，参数的设定完成以后，点击开始迭代按钮，计算机将开始进行数值模拟的迭代工作。通常情况，迭代工作过程冗长。本次研究的是单个算例，由于计算域为轴对称区域，计算域较为简单，模拟的情况不是很复杂，因此在大约半个小时内，我们可以完成一个算例的数值模拟迭代工作。结果的后处理FLUENT软件自身具备后处理的能力，它可以将各种计算结果的数据，以云图、矢量图、点线图、动画等多种方式进行显示、保存和输出。根据求解的实际问题，在计算结果中，我们选择所需要的数据来制作对应的云图、等值线图、矢量图、剖面图、XY散点图、动画等等。同时，亦可以生成报告文件，从而得出所需的结论。比如，在数值模拟迭代工作完成后，我们在轨迹示例柱形图面板中（如图4.5），采集选中截面的数据，并以柱形图的形式输出。图4.5 轨迹示例柱形图5 数值模拟结果及分析5.1 引言本章将详细地介绍本次研究的内容，在完成数值模拟计算的基础上，研究雾液粒径的分布情况，探讨在不同工况参数以及喷嘴几何参数条件下，特别是在有无挡板的情况下，湍动雾化冲击射流外部流场在流型，卷吸现象及雾化效果方法的区别，进行相关参数化分析。5.2 气液质量流量比不同情况下的数值模拟在使用空气雾化喷嘴时，控制好气液质量流量对喷嘴的颗粒均匀度、流量等起着至关重要的作用。在气液质量流量比为百分之23的工况条件下，流体喷出喷嘴后，与周围空气相互作用，发生明显的卷吸现象，此后，由于受到外部气体的耗散作用，气流速度逐渐下降，如速度矢量图（图5.1）所示。图5.1 速度矢量图在气液质量流量比为百分之23的工况条件下,在计算域结构模型沿z轴方向的截面上，对比z轴方向100mm、150mm、200mm处的雾化颗粒粒径柱形图，如图5.2-1、5.2-2、5.1-3所示。图5.2-1 d-z/100图5.2-2 d-z/150图5.2-3 d-z/200在气液质量流量比为百分之17的工况条件下,在计算域结构模型沿z轴方向的截面上，对比z轴方向150mm、200mm处的雾化颗粒粒径柱形图，如图5.3-1、5.3-2所示。图5.3-1 d-z/150 图5.3-2 d-z/200在气液质量流量比为百分之28的工况条件下,在计算域结构模型沿z轴方向的截面上，对比z轴方向150mm、200mm处的雾化颗粒粒径柱形图，如图5.4-1、5.4-2所示。图5.4-1