热作用下液氮射流雾化的理论研究

作     者：高鑫鑫 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈建业

授予年度：2021年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：射流雾化 初次破碎 二次雾化 相变 传热传质 液氮 

摘      要：高雷诺数风洞试验在大型飞行器设计研发中扮演着至关重要的角色,而通过液氮喷雾降低风洞内温度是目前提升风洞雷诺数最为经济有效的方法之一。液氮的雾化效果直接决定着风洞流场和温度场的均匀性,因此,对射流雾化过程的深刻理解是提高喷雾冷却过程传热性能和流场均匀性的先决条件。尽管国内外学者在理解射流雾化过程方面做了大量工作,但是低温流体中热作用和气动作用的耦合及两者的相互影响还有待进一步探索。针对液氮射流雾化及相变过程,本文开展了液氮射流初次破碎和二次雾化的跨尺度理论研究,探索了气动作用和热作用对高低速射流和不同韦伯数(We)液滴运动过程的影响,明晰了相变对破碎过程的影响机制。具体内容概括如下:1.低速射流体初次破碎线性稳定性分析。针对低速射流体的初次破碎过程,采用线性稳定性分析方法,建立起射流体从失稳到破碎的联系,从而构建低速射流初次破碎的理论计算模型。基于该理论模型,得到低速射流的最不稳定波波长、破碎液滴直径等参数。2.高速射流体初次破碎直接数值模拟分析。针对相变影响下的高速射流体初次破碎过程带来的相界面变化,构建了基于流体体积法(VOF)的界面捕捉方法和界面位移算法的直接数值模型,来描述带相变的射流体破碎过程。基于该数值模型,分析了初次破碎形态演变,进而获得了雾化形成的微小液滴粒径分布。计算结果显示相变改变了初次破碎液滴的空间分布并在一定程度上影响了射流表面的变形。3.二次雾化过程中液滴闪蒸雾化动力学分析。在二次雾化中基于液滴内气泡运动方程建立了一个描述闪蒸现象的气泡微爆模型,同时采用TAB模型描述空气动力的作用。提出了一个预测二次雾化主导模式的判断标准,据此分析了环境压力等物理参数对雾化过程的影响。结果表明,在低环境压力下闪蒸作用更强,而表面张力、黏性力影响不大。4.二次雾化过程中液滴表面蒸发过程研究。对不同We数液滴二次雾化及表面蒸发过程展开数值研究。考虑到不同We数液滴流动及相变特性的不同,基于界面温度梯度计算传质速率,将分离传质与界面局部化方法、锐化处理界面温度方法相结合,建立了一种源项扩散算法来捕捉低We数下相变对流动的影响。使用多个算例验证该算法并与界面位移算法对比分析,随后将二者分别应用于高、低We数液滴数值模拟。结果显示,源项扩散算法表现优于界面位移,但对网格精度要求较高。此外,相变对液滴雾化形态的影响随We数增大而减小,而高We数时液滴相变速率显著提升。