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高速气流作用下液膜在预膜板表面流动形态的LBM-LES模拟

于蔚然  
【摘要】:随着航空航天事业的大力发展,航空污染问题日趋严重,更为直接地影响大气从而导致温室效应的产生以及全球气候的变化。为了降低航空发动机能耗实现燃油经济性,燃油雾化效果、油气混合质量与效率的提升迫在眉睫。在进行雾化过程中,流经带有预膜板气动雾化喷嘴的高速气流会通过界面剪切力驱动液膜在预膜板上流动并产生波浪形的气液相界面变化,且气液层有较大的密度比,同时气体雷诺数也明显高于液体。由于液膜在预膜板上的流动形态直接影响预膜板唇边后部的液体雾化质量,因此,探寻造成液膜流动形态出现差异的原因,对于研究液膜破碎机理有着重要意义。针对航空发动机中液膜在预膜板上流动形态的分析,因较高气流剪切作用下气液相界面会出现复杂的拓扑形变,且气液层存在较高的密度比,现有的数值模拟方法较难处理相关问题,本文选择格子Boltzmann方法(LBM)来进行气液相界面形态变化的追踪,主要工作有:(1)根据研究问题的难点,首先将经典湍流数值模拟方法大涡模拟(LES)引入LBM中,分别运用LBM和LBM-LES两种方法模拟顶盖驱动流和后台阶流中的流体流动用以验证LBM-LES在单相湍流中应用的可行性与优越性;随后在Liang等人提出的用以处理较高两相密度比问题的基于相场理论的格子Boltzmann模型的基础上,通过引入一个额外的界面力来消除两相界面间由于密度变化而导致无法满足体系不可压缩条件的影响,从而完成对模型的修正,再将LES引入上述模型后完成本文计算液膜在预膜板上流动模型的搭建。完成上述工作后,本文选择两个气液两相流中着重关注气液相界面变化的问题——静态液滴(static droplet)及Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性现象来验证该模型对两相流界面捕捉的准确性,并与前人结果进行了详细的对比。(2)研究了气流驱动下液膜在预膜板表面流动的形态变化,考察了不同气体速度、气液速度比、气液密度比、表面张力以及液膜厚度等情况下液膜流动形态的变化,并总结规律,为后期液膜破碎问题做好技术研究储备。本文研究结果表明:LBM-LES在计算高雷诺数流体流动时具有更高的数值精度和稳定性。修正后的两相流相场模型可准确追踪具有大密度比气液相界面的形态变化。气液剪切速度差会诱发两相界面出现Kelvin-Helmholtz不稳定性现象,因而气液相界面会产生波浪形的变化。气液速度比、密度比、液膜表面张力及液膜厚度均是影响液膜流动形态的重要指标。


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