非均匀横向气流场中的射流雾化现象研究

发布时间：2020-10-29 23:42

　　 论文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了非均匀横向气流场中的液体射流的喷注特性和破碎过程。在实验方面,设计搭建了实验平台,能够实现剪切载荷模式横向气流及旋转模式横向气流中液体射流破碎现象的观测。采用高速摄影仪记录上述两种非均匀横向气流场中液体射流破碎过程,并利用二值法对图像进行了处理。在数值模拟方面,采用标准k-ε湍流模型研究无液体射流时的剪切载荷模式气流流场,对其进行分析并以此作为后续研究的对比基准;采用VOF耦合Level Set方法计算液体射流在非均匀横向气流,包括剪切模式横向气流和旋转模式横向气流中的破碎过程。对剪切载荷模式的横向气流进行数值模拟研究,发现当隔板上下进口气流速度比(UR)不为1时,气流场会在出口下游区出现准线性的速度分布梯度,形成剪切层并在尾流区生成涡旋。随着UR绝对值增大或减小,即隔板上下进口气流间的速度差异增大,剪切层的梯度增大,同时尾流区的气流涡旋尺寸也随之增大并往上游发展,气流场流线分布紊乱程度加剧。而气流平均韦伯数We_(avg,g)对气流场分布无明显影响。对有液体射流进入剪切载荷模式横向气流场的实验研究发现液体射流在射流实验段高度的中间位置处出现了明显的二次弯折,液柱表面也经历了从光滑至出现一阶非线性对称波,螺旋状波动,到最后断裂的过程。结合数值模拟在相应工况下的结果,发现在实验段高度中间位置气流场中的剪切作用强度较大,气动力以较强的剪切力形式作用在液体射流表面;同时在液柱破碎断裂处的截面上存在非对称气流涡旋导致的螺旋状表面波,该表面波最终促成了液袋的形成。在对射流的喷注特性研究发现,在所有实验工况中,液体射流穿透深度随着液气动量比q增加而增加,同时也与隔板上下进口气流速度比UR存在正向关系,而与气流平均韦伯We_(avg,g)无明显直接关系。对旋转横向气流场中的液体射流破碎过程分别采用实验研究和数值模拟研究的方法进行了初步的探究。拟合了液体射流的运动轨迹,发现在弱旋流(旋流数小于0.6)的情况下,液体射流轨迹与均匀横向气流场中的无明显差异甚至促进射流的穿透深度,而在强旋流情况下(旋流数大于0.6)的情况下,液体射流穿透深度会被抑制。结合数值模拟结果发现,在强旋流情况下,旋流区尺寸会覆盖液体射流区,导致液体射流的部分动能转化为气流的湍动能从而穿透能力减弱,而在弱旋流中,其旋流区尺寸并未足够大,其旋流区边缘的气动力主要以径向作用为主,因而对液柱在穿透深度上有一定的促进作用。同时在数值模拟中可以发现在旋流器出口处会形成负压区,这可以解释实验中观察到的液柱轨迹往上游方向摆动的现象。本文的研究结果可推论出,当上下进口气流速度比UR大于1时,射流穿透深度较大,液体射流发生破碎所需时间较长,而当UR小于1时,穿透深度较低,较早发生破碎,在同样时间内液体射流破碎雾化效果会更好。另外,旋转模式横向气流中液体射流破碎雾化的效果需要同时考虑旋流器强度以及喷嘴所处位置这两个因素,这将为LDWI型燃烧室的设计研发工作提供一定的指导意义。
【学位单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O358
【文章目录】：
摘要
Abstract
参量符号与角标注释
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 航空燃气轮机减排背景
        1.1.2 航空燃气轮机环保技术
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 液体射流在无横向气流中破碎雾化现象研究
        1.2.2 液体射流在均匀横向气流中破碎雾化现象研究
        1.2.3 液体射流在非均匀横向气流中破碎雾化现象研究
    1.3 论文主要研究内容
第二章 实验研究和数值模拟方法介绍
    2.1 横向射流整体实验平台介绍
    2.2 实验平台各子模块简介
        2.2.1 供气模块
        2.2.2 供液模块
        2.2.3 光学观测模块
        2.2.4 实验所用喷嘴
        2.2.5 射流实验段
    2.3 数值模拟方法
        2.3.1 常用低速气流中两相流数值模拟方法介绍
        2.3.2 COUPLEDLEVEL-SETVOF方法原理
    2.4 实验方案与数值模拟边界条件及工况设置
        2.4.1 实验方案
        2.4.2 实验误差分析
        2.4.3 数值模拟边界条件和工况设置
        2.4.4 网格无关性验证
第三章 剪切载荷模式横向气流场中液体射流破碎特性研究
    3.1 无液体射流的剪切载荷横向气流场特性研究
        3.1.1 基准组模拟结果
        3.1.2 相等平均流量组模拟结果
        3.1.3 相等上下气流速度比值（UR）组模拟结果
        3.1.4 下方进口气流速度固定,上方进口气流速度变化对照组模拟结果
    3.2 剪切载荷模式气流中射流破碎过程研究
        3.2.1 剪切载荷模式气流中射流破碎实验研究
        3.2.2 剪切载荷模式气流中射流破碎过程的数值模拟研究
    3.3 本章小结
第四章 旋转横向气流中的液体射流现象研究
    4.1 旋转模式气流中液体射流轨迹研究
        4.1.1 弱旋流器产生横向气流中影响射流穿透深度相关因素研究
        4.1.2 强旋流器产生的旋转模式气流中液体射流轨迹研究
    4.2 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 研究成果总结
    5.2 工作展望
致谢
参考文献

【参考文献】

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本文编号：2861638