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气液两相剪切流界面失稳和破碎的直接数值模拟

蔡勇  
【摘要】:本文采用VOF(Volume Of Fluid)界面追踪方法,直接数值模拟了平面两相剪切层和平面两相射流的非线性演化,并结合流动稳定性理论,讨论了界面及射流失稳破碎的动力学机制。 首先,研究了等密度两相剪切层的时间演化和空间演化:界面的非线性演化主要取决于剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性与表面张力的稳定作用之间的相互竞争。当Weber数比较小时,表面张力起主导作用,界面在平衡位置附近振荡但整体是稳定的。在中等大小的Weber数时,表面张力与惯性力相当,两者相互竞争,导致界面破碎。在剪切层的K-H不稳定过程中,表面张力同时起到稳定和失稳的双重作用。在速度剪切以及表面张力的共同作用下,在界面形成延展的手指型结构,手指型结构被拉伸、变细;此后在该结构的顶端由于表面张力要维持最小面积,最终导致界面破碎成液滴。当Weber数比较大时,剪切层的K-H不稳定性起着主导作用,界面形成折叠的指型结构,破碎形成的数量较多的小液滴。当表面张力为零(Weber数无穷大时),界面简化为均质自由剪切层的演化,剪切层卷起形成集中涡,以及涡配对等。 其次,研究了密度比对两相平面剪切层演化的影响。当界面两侧密度不相等时,由重流体侵入轻流体的指型结构具有更大的曲率,称为“钉”状结构,而轻流体侵入重流体的指型曲率小,称为“泡”状结构。钉状结构的颈部易破碎成液滴,其大小与钉状结构的直径同一量级。粘性具有阻尼光滑的作用,并使破碎生成的液滴尺寸变大。 最后,对于平面两相射流,着重研究了外层高速气流对内层慢速重液体的引射作用下,双剪切层界面的非线性演化。分别研究了对称扰动和反对称扰动模式。当Weber数较大时,界面交错卷起形成指型或者折叠的指型型结构,并在下游发生破碎,指型结构头部形成大液滴而细长颈部破碎形成数量较多的小液滴。当Weber数比较小时,交错形成仰起的手指型结构,同样在下游发生破碎,形成的液滴数量比较少;更大的表面张力将使开始形成的波峰或者指型结构拉回,而后射流做微小波动。扰动能量分散到更多的频率上,色散效应明显。密度比为1时,射流失稳一般会发生整体破碎;而重流体在内轻流体在外的射流形式,有可能在破碎发生后中间位置仍保留一个重流体薄层,这是由于要打碎重流体,外层气流需要更大的动量,粘性的作用使剪切不稳定增长在一定程度上被抑制。


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