【《环形射流仿真模拟分析案例》4300字】

环形射流仿真模拟分析案例1.1物理条件假设由于两相流问题的复杂性，为了抓住本文研究的主要问题，在进行仿真分析时做出如下基本假设：（1）在流动过程中，忽略流体因摩擦等因素造成的内能损失，忽略流体与外界的能量交换；（2）由于喷嘴尺寸较小，射流流量大、速度高，重力作用有限，忽略重力对射流形态的影响；（3）考虑气液两相在不同压力下的密度变化，考虑液体表面张力；（4）射流形态呈现二维轴对称瞬态流动，故仿真模型选择轴对称模型。1.2多相流模型的选择由于本文研究低压大流量条件下的射流雾化质量，主要分析流体在密闭空间内的瞬态破碎现象及机理，考虑到射流喷射进入液腔是气液两相流流动，本文基于一款计算流体动力学（CFD）的仿真分析软件FLUENT，对环形射流的喷射雾化特性建立了相应的瞬态两相流模型。故本章对于FLUENT中针对多相流的数学模型及其特征做了如下探究。1.1.1VOF（VolumeofFluid）模型VOF方法是建立在欧拉网格下的界面追踪方法。该方法中，互不相容的流体(A相与B相)共用一套动量方程，并通过引入相体积分数α这一变量来实现对计算域内相间界面的追踪。假设，α表示A相的体积占所在网格体积的比值，若α=0，则该区域为B相；若0<α<1，则该区域为AB相交界面或两相混合区；若α=1，则该区域为A相。通过求出整个计算域内个网格单的相分数，则可以构建出两相分布情况REF_Ref72484030\r\h[21]。AB相交界面两端的压力下降表示为∆p=σ∇上式为一个间断函数，实际计算中，引入连续表面力模型（ContinuumSurfaceForce，i.e.CSF）模化表面张力，即：p=p连续性方程∇∙动量方程ρ∂VOF模型的相方程∂α∂t界面力源项f=−σ式2-4所表示的物理意义为动量方程右侧的界面力源项相当于在界面处增加的由界面张力导致的压力增量。界面力源相右侧中间一项表示曲率k=−∇∙∇α∇表1.1各符号含义表符号含义单位u速度m/sρ密度kg/p压力Pag重力加速度m/μ粘度Pa∙sf界面力源项N/α相体积分数1σ表面张力N/mk曲率1/mVOF模型可以通过求解单一的动量方程并跟踪区域内每个流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体REF_Ref72484092\r\h[22]。典型的应用包括射流破裂的预测、大气泡在液体中的运动、溃坝后液体的运动，以及任何气-液界面的稳态或瞬态跟踪REF_Ref72482652\r\h[3]。1.1.2混合（mixture）模型在一些情况下，混合模型是欧拉多相流模型的一个很好的替代方法REF_Ref72483479\r\h[14]。当颗粒相分布较广，或相间规律未知或其可靠性受到质疑时，完整的欧拉多相流模型可能不可行REF_Ref72484523\r\h[23]。混合模型的基本方程如下：混合物的连续性方程为：∂∂t其中vmvmρmρmαk是相k的体积分数，混合物的动量方程可以通过对所有相的单个动量方程求和得到REF_Ref72483479\r\h[14]。可以表示为：∂=−∇其中，n是相的个数，F是体力，μm是混合物的粘度ADDINNE.Ref.{28052C24-D1A9-4FB3-B250-75C4CA206D9E}[25]：μmvdvd混合物的能量方程为∂=∇其中hj,k是相k中物质j的焓，Jj,k是相k中物质j的扩散通量，keff=其中kt为根据使用湍流模型定义的湍流热导率。式2-13右边的前三项分别表示由传导、物质扩散和粘性耗散引起的能量传递REF_Ref72484848\r\h[24]。最后一项S包括你已经定义的体积热源，但不包括由有限速率体积或表面反应产生的热源，因为物质生成焓已经包含在总焓的计算中REF_Ref72484523\r\h[23]。式2-13中，Ek1.1.3欧拉（Eulerian）模型欧拉模型是fluent中最为复杂的多相流模型。它建立了一套包含有n个动量方程和连续方程来求解每一相REF_Ref72484926\r\h[25]。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含有的情况，颗粒流（流-固）的处理与非颗粒流（流-流）是不同的REF_Ref72484848\r\h[24]。本文研究内容主要涉及液体射流在气相中的喷射衰竭，需要求解任意气-液分界面的瞬时分界面及两相分布情况，而VOF模型适合于适用于分层或自由表面流动，符合对射流破裂情况的预测。1.3湍流模型选择在工程应用中，由于湍流的生产效率高，大部分的流动都是湍流。湍流是一个非常随机的，瞬时的流动状态，每时每刻的流速和流动方向都会变化。湍流的能量耗散过程就是由大涡分离成很多小涡，对于尺度非常小的小涡会产生能量的耗散，将动能转换为内能。想精准的模拟湍流流动的话，需要的计算量非常多，耗时也会非常长REF_Ref72488805\r\h[29]REF_Ref72488806\r\h[30]REF_Ref72488808\r\h[31]。工程应用中，我们通常是关注的是一段时间内流体的平均流动状态，因此，在工程计算中采用时均化的方式来得到时均解。如果我们记录湍流流动中某一点的流速变化，瞬时的速度是不停的变化的，但是在一段时间内，平均速度是不变的，我们认为它是稳态的湍流流动。对于该速度波动，如果采用直接求解的方式计算量同样很大，因此就需要用各种计算方法来修正这个速度的波动，来近似的求解流场。还有一些物理量是没办法通过计算求解到的，比如小涡耗散掉的能量是多少(就是我们说的耗散率dissipationrate，ε)，是通过一些实验，经验公式推导出来的。而湍流模型就包含这些物理量的计算方法，所以需要选择恰当的湍流模型来使得计算结果更贴合实际。本文重点环形射流的破碎特性，射流撞击效果不明显，不需要过于复杂的计算，故选择应用多，计算量适中的标准k-ε模型作为湍流模型。1.4环形射流数值模拟方法通过上文对于环形射流的喷射过程假设条件设立以及模型选择，之后本文使用计算流体力学（CFD）方法基于FLUENT软件对环形射流的射流破碎过程进行数值模拟仿真分析。具体的流程图如图1.1所示：图1.1仿真流程图1.4.1仿真模型建立以及网格划分使用Solidworks建立环形喷嘴及其流场区域的二维几何模型如图1.2所示，为减小计算量，采用轴对称模型，故二维几何模型只需建立1/2部分。环形间隙为1mm，环形喷口距离轴线的长度为14mm，喷嘴长度为10mm，观察室长度为260mm，观察室半径为40mm。使用四边形结构网格（部分不规则区域做了三角形网格处理）对二维几何模型进行了网格划分（最大网格尺寸为0.25mm），并对喷口附近网格进行加密具体细观网格模型如图1.3所示。图1.2环形喷嘴流场模型图1.3环形喷嘴网格1.4.2计算环境设置研究环形射流的破碎问题是一个瞬态两相流问题，计算方法选择压力基、瞬态计算，模拟该过程需要知道初始边界条件和两相流条件：（1）边界条件对差动活塞受力分析可知，在喷射过程中差动活塞受到摩擦阻力f、贮液室压力P1S1P1其中P1、P2分别为贮液室、燃烧室压强，Mpa；S1、S2分别为贮液室一侧活塞面积、燃烧室一侧活塞面积，m2；m为活塞质量，kg；a为活塞加速度，m/s2。在差动活塞运动起始阶段，差动活塞静止，故加速度a=0P1实验所用差动活塞各参数如下：S1S2将式2-18、式2-19带入式2-17得活塞释放初期即实验开始液腔与气腔两端压力比值式2-20P1P喷嘴入口设定为压力入口边界，水体积分数设定为1；观察室出口设定为压力出口边界，水体积分数设定为0；对称轴设定为swirl边界；其他均为壁面边界。由式2-20得：入口压力设置为1.38MPa，出口压力设置为1MPa（2）两相流条件两相流问题求解选择VOF模型，湍流模型选择标准k-ε模型，设置基本相为空气，第二相为水，因为空气密度虽压强变化较大，常温（300K）、1MPa下空气密度为11.799kg/m3，水密度虽压强变化不大，故不做调整。设置两相间表面张力系数为0.07275（3）喷口区域标定为了使计算更加便捷，仿真结果更符合实际情况，在初始化过后对喷口区域进行标定，将喷口区域压力标定为1.37MPa，将其液相体积分数设置为1，即开始喷嘴内部充满水，观察室充满空气，如图1.4所示；喷嘴区域压力为1.37MPa，观察室压力为1MPa，如图1.5所示。图1.4两相体积分数初始值设定图1.5初始压力场设定1.5网格无关性验证由于雾化过程的计算微观性较强，对网格密度由一定要求，网格密度必须足够高才能捕捉到正确的射流形态。本章算例中，为了对网格无关性进行验证，采用了更加细化的网格密度（0.125mm）细观网格结构，同时对射流出口处进行加密处理，如图1.6所示。图1.60.125mm尺寸网格密度仿真初期环形射流对比结果如图1.7（网格密度0.25）、图1.8（网格密度0.125）所示，射流形态并无太大变化，但是0.125mm网格密度下能看到更细观的结构，考虑到单次算例的运算速度（0.125mm单次算例8h），而本仿真目的是观察射流型态，故不进行更密的网格划分，采用0.125mm网格密度进行对比仿真分析。图1.70.25mm仿真结果图1.80.125mm仿真结果1.6环形射流仿真结果本文按照式1.20所求得差动活塞起始两端压强比设计了三组不同环境压力下的环形喷嘴的雾化仿真探究。其观察室压强分别为1Mpa、3Mpa、7Mpa，对应的出喷口压强分别为1.38Mpa、4.14Mpa、9.66Mpa，对应观察室的空气密度分别为11.799kg/m3、47.48kg/m射流头部有一个近乎对称的蘑菇头结构，如图1.8该结构受到气涡影响，会逐渐由射流头部发散出液滴和液丝，这主要是由于高速射流表面受到的表面张力和气相摩擦力的干扰作用，射流最外层液体在这两个力的作用下，由气体裹挟着向上向后运动，形成了类似蘑菇头的结构。本章仿真与与陈潜ADDINNE.Ref.{0FA2B817-5D53-429B-BF18-5DB2820A92C8}[18]利用卷积运算原理仿真模拟出的流场涡结构（如图1.7）类似，证实了该仿真的合理性。图1.7流场涡结构图1.8为三种不同观察室压强下，射流聚并时刻及形态，由图1.8可知射流出喷口的环境背压越高，射流聚并点距离喷口越近、射流聚并时刻越早。1Mpa、4.1ms射流聚并4Mpa、3ms射流聚并7Mpa、1.4ms射流聚并图1.8不同观察室压强的射流聚并现象而环形射流的聚并会导致最终环形射流的状态由出喷口段的环形射流，发展为远离喷口段的圆柱形射流，如图1.9所示，导致雾化效果急剧下降。图1.9射流发展后期的圆柱形射流形态从图1.8观察射流形态可以看出在不同工况下射流形态均呈现出先向轴线发展后偏离轴线的特性。为了探究环形射流聚并的原因，对射流的气液矢量图进行了仿真分析，图1.10为射流在聚并时刻的气液相矢量图，由图中可见，空气在射流的裹挟作用下，主要形成了