液体射流冲击平板数值模拟研究
发布时间：2021-06-01 05:58
平板冲击射流作为一种广泛应用于基础研究和工业应用中的流动方式,具有被深入研究的价值。其中,典型的单射孔倾斜射流冲击平板流动是平板冲击射流研究的基础与起点。在冲击射流的研究中,数值模拟作为能有效代替实验,并便于研究较多工况下流动情况的研究方法,正在被越来越多地应用于该领域的研究中。但由于多相流相对于单相流复杂度大大增加,导致三维数值模拟模型会消耗大量的计算资源。因此,本文开发了一种针对倾斜射流冲击平板流动的准三维数值模拟方法,并基于此方法对不同工况下的倾斜射流冲击平板流动进行了研究。本文首先根据实验构建几何模型并进行网格无关性验证,建立了适用于单孔倾斜射流冲击平板流动的三维数值模拟方法。在此基础上,本文提出准三维数值模拟方法。思路如下:首先进行自由射流与撞击点附近的三维数值模拟,并以撞击点周围的流场结果为基础,以撞击点为起点,将流场分割为7个二维平面,然后在每个二维平面内,以前面三维计算结果为初始条件继续计算,最后将每个二维流场的结果进行统计整理。本文将上述方法的模拟结果与实验结果进行对比分析,验证了该方法的有效性。利用本文提出的准三维模拟方法,分析了射流角度、射流速度、流体粘性、表面张...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾斜平板射流中各区域分布的示意图[10]
中国民航大学硕士学位论文3WangR,HuangY,FengX.[10]等人利用实验方法研究了平板冲击射流，根据实验和预测，对动态粘度，表面张力等参数和不同冲击速度和冲击角下的工况进行了分析，建立了半经验公式，并发现了平板冲击射流由中间的液膜区和外层的粗边缘区组成。实际上，本课题的数值模拟方法即是通过和这篇文章的实验结果对比来验证数值计算的准确性。(1)关于冲击射流在平板上的流动结构以下学者进行了研究，并确定了湍流为平板冲击射流的主要结构，并分别解释了湍流结构的由来与特点。GutmarkE.,WolfshteinM.&WygnanskiI.[13]最先开始用实验的方法，研究了二维平板冲击射流的湍流结构，运用光谱测量方法测量了平均速度、湍流强度和三个方向上速度的函数，并计算了这三个扰动分量的能量平衡。图1-2垂直平板冲击射流中轴线上的平均速度[13]结果表明，流线在近壁面处会被有选择性的拉伸成涡，导致滞止区的流动呈各向异性。并在滞止区内的湍流中发现了一个中性频率（如图1-2），高于该中性频率，能量通过粘性耗散而衰减，低于该中性频率，通过涡旋拉伸机制增强。SAKAKIBARAJ.,HISHIDAK.&PHILLIPSW.[14]使用时间序列数字粒子图像方法研究了平面撞击射流的旋涡结构，发现在特征点理论下，等涡与等λ2（速度梯度张量的第二个特征值）的耦合面可以用来描述和确定“横肋”湍流结构。并发现当横肋和壁肋在喷射的对称平面附近合并时涡量的产生是最大的。CrowSC,ChampagneFH.[15]进行了一项研究以确定喷射湍流可以进行有序描述，以及通过在喷射出口处施加的轻微周期性波动来增强和控制湍流频率，并在某种程度上湍流混合，获得一系列新的噪声抑制技术使预测喷射噪声的问题变得更加简单。
中国民航大学硕士学位论文5和高阶矩的细节。测量射流的一些特征显示除与强制高雷诺数射流的观测结果相对应。并发现在低雷诺数下，射流的初始区域由剪切层中的涡旋支配。同时利用统计矩和光谱分析证实了这一结果。WRQuinn,JMilitzer[22]给出了来自锋利边缘方形槽的湍流自由空气射流的实验和数值研究结果。在数值研究中，射流出口被视为椭圆形。实验结果包括平均速度，湍流法向测量得到的剪切应力，以及皮托静压管与压力传感器一起获得的平均静压。图1-3中心向上的平均静压分布[22]实验结果表明，在近场中存在明显的平均流向偏离中心峰，其中也发现了正平均静压（如图1-3）。此外，发现这种工况下的射流在近流场中比在相同测试条件下具有与方形槽相同的出口面积的圆形槽的射流明显更快地扩散。Olsson.M.Fuchs.L.[23]进行了雷诺数为104的强制半圆形撞击射流的大涡模拟（LES）。射流入口和壁面之间的间隔是四个射流入口直径。因此，进行了四种不同的模拟。在没有任何明确的子网格尺度（SGS）模型的情况下，分别使用1283和963个网格点进行了两次模拟。使用963个网格点与两个不同的SGS模型进行了两次模拟，一个使用动态Smagorinsky模型，另一个使用压力相似性模型。同时利用数值模拟方法研究了平均速度，湍流统计，SGS模型效应，以及聚焦于近壁区域射流的动态行为。确认了壁面喷射区域中分离涡的存在。发现这些二次涡流与自由射流的圆形剪切层产生的径向偏转的主涡流有关。还显示壁面附近的主要涡旋结构是螺旋形的而不是轴对称的。在SGS模型的模拟中发现了定量增益。并发现与其他粗网格模拟相比，应力相似模型模拟与更高分辨率的模拟相比略微更好，并且不同模拟之间在湍流强度方面的变化小于10％。RiesF,LiY,RimannM[24]使用了直接数值模?
【参考文献】：
期刊论文
[1]横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象[J]. 王雄辉,黄勇,王方,王少林,刘志林. 航空动力学报. 2012(09)
[2]流体机械CFD中的网格生成方法进展[J]. 刘厚林,董亮,王勇,王凯,路明臻. 流体机械. 2010(04)
[3]多点喷射燃烧室冷态流场特性研究[J]. 邓甜,王方,黄勇. 工程热物理学报. 2008(05)
[4]N-S方程的数值解法及其在水波动力学中应用的综述[J]. 李绍武,尹振军. 海洋通报. 2004(04)
本文编号：3209797
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾斜平板射流中各区域分布的示意图[10]
中国民航大学硕士学位论文3WangR,HuangY,FengX.[10]等人利用实验方法研究了平板冲击射流，根据实验和预测，对动态粘度，表面张力等参数和不同冲击速度和冲击角下的工况进行了分析，建立了半经验公式，并发现了平板冲击射流由中间的液膜区和外层的粗边缘区组成。实际上，本课题的数值模拟方法即是通过和这篇文章的实验结果对比来验证数值计算的准确性。(1)关于冲击射流在平板上的流动结构以下学者进行了研究，并确定了湍流为平板冲击射流的主要结构，并分别解释了湍流结构的由来与特点。GutmarkE.,WolfshteinM.&WygnanskiI.[13]最先开始用实验的方法，研究了二维平板冲击射流的湍流结构，运用光谱测量方法测量了平均速度、湍流强度和三个方向上速度的函数，并计算了这三个扰动分量的能量平衡。图1-2垂直平板冲击射流中轴线上的平均速度[13]结果表明，流线在近壁面处会被有选择性的拉伸成涡，导致滞止区的流动呈各向异性。并在滞止区内的湍流中发现了一个中性频率（如图1-2），高于该中性频率，能量通过粘性耗散而衰减，低于该中性频率，通过涡旋拉伸机制增强。SAKAKIBARAJ.,HISHIDAK.&PHILLIPSW.[14]使用时间序列数字粒子图像方法研究了平面撞击射流的旋涡结构，发现在特征点理论下，等涡与等λ2（速度梯度张量的第二个特征值）的耦合面可以用来描述和确定“横肋”湍流结构。并发现当横肋和壁肋在喷射的对称平面附近合并时涡量的产生是最大的。CrowSC,ChampagneFH.[15]进行了一项研究以确定喷射湍流可以进行有序描述，以及通过在喷射出口处施加的轻微周期性波动来增强和控制湍流频率，并在某种程度上湍流混合，获得一系列新的噪声抑制技术使预测喷射噪声的问题变得更加简单。
中国民航大学硕士学位论文5和高阶矩的细节。测量射流的一些特征显示除与强制高雷诺数射流的观测结果相对应。并发现在低雷诺数下，射流的初始区域由剪切层中的涡旋支配。同时利用统计矩和光谱分析证实了这一结果。WRQuinn,JMilitzer[22]给出了来自锋利边缘方形槽的湍流自由空气射流的实验和数值研究结果。在数值研究中，射流出口被视为椭圆形。实验结果包括平均速度，湍流法向测量得到的剪切应力，以及皮托静压管与压力传感器一起获得的平均静压。图1-3中心向上的平均静压分布[22]实验结果表明，在近场中存在明显的平均流向偏离中心峰，其中也发现了正平均静压（如图1-3）。此外，发现这种工况下的射流在近流场中比在相同测试条件下具有与方形槽相同的出口面积的圆形槽的射流明显更快地扩散。Olsson.M.Fuchs.L.[23]进行了雷诺数为104的强制半圆形撞击射流的大涡模拟（LES）。射流入口和壁面之间的间隔是四个射流入口直径。因此，进行了四种不同的模拟。在没有任何明确的子网格尺度（SGS）模型的情况下，分别使用1283和963个网格点进行了两次模拟。使用963个网格点与两个不同的SGS模型进行了两次模拟，一个使用动态Smagorinsky模型，另一个使用压力相似性模型。同时利用数值模拟方法研究了平均速度，湍流统计，SGS模型效应，以及聚焦于近壁区域射流的动态行为。确认了壁面喷射区域中分离涡的存在。发现这些二次涡流与自由射流的圆形剪切层产生的径向偏转的主涡流有关。还显示壁面附近的主要涡旋结构是螺旋形的而不是轴对称的。在SGS模型的模拟中发现了定量增益。并发现与其他粗网格模拟相比，应力相似模型模拟与更高分辨率的模拟相比略微更好，并且不同模拟之间在湍流强度方面的变化小于10％。RiesF,LiY,RimannM[24]使用了直接数值模?
【参考文献】：
期刊论文
[1]横向气流中液体圆柱射流的破碎特性和表面波现象[J]. 王雄辉,黄勇,王方,王少林,刘志林. 航空动力学报. 2012(09)
[2]流体机械CFD中的网格生成方法进展[J]. 刘厚林,董亮,王勇,王凯,路明臻. 流体机械. 2010(04)
[3]多点喷射燃烧室冷态流场特性研究[J]. 邓甜,王方,黄勇. 工程热物理学报. 2008(05)
[4]N-S方程的数值解法及其在水波动力学中应用的综述[J]. 李绍武,尹振军. 海洋通报. 2004(04)
本文编号：3209797
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