幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

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双股射流撞击是液体火箭发动机燃烧室中常用的雾化方法,其破碎雾化流场结构及流动特性将直接决定燃烧效率。本文采用直接数值模拟方法及分段线性界面重构方法,对剪切稀化非牛顿液体撞击产生的射流结构、流体表面积、液膜偏转角和扩展半角、涡特性、波特性产生的流动规律及剪切稀化特性进行研究。具体可分为以下几个方面:1、本文通过计算中等韦伯数双股射流撞击形成的典型液膜结构,具体呈现中间薄两边厚的形状,液膜边缘形成Rim流动,破碎形式属于封闭形液膜破碎类别。液体表面积总体呈现不断增加的趋势,但增长速率有所变化。无量纲表面积则呈现先下降后上升在下降的趋势,其最大无量纲表面积可达1.92。液膜扩展半角恒定于42.38°,液膜破碎过程伴随着液丝直接收缩为液滴的现象,液体表面未观察到明显波动现象。射流上游至射流下游涡量呈现逐渐增加的趋势,中游破碎区域出现涡量较大的现象。射流下游迎风区域的Rim部分,基本处于滞止状态。涡量除在x方向上逐渐耗散外,其在y轴方向也逐渐耗散。撞击形成的液膜内部存在明显的剪切稀化特性,在撞击点附近黏性系数仅为初始黏性系数的0.7倍。2、通过计算不同韦伯数得到了射流撞击产生的三种流动结构,即单一对角射流、典型液膜结构及开放型液膜结构。总体上,射流韦伯数决定了射流撞击的雾化模式。在韦伯数较低时,撞击产生的波动体现为合成液柱弯曲波动,而产生的涡影响较小。在中韦伯数时,液膜表面未观察到明显波动现象,射流上游至射流下游涡量呈现逐渐增加的趋势,中游破碎区域出现涡量较大的现象,此外,涡在远离液体表面时逐渐耗散。在高韦伯数下,液体撞击形成的液膜上产生多个明显的撞击波,总体呈现波长随波到达自由边缘距离的增加而增加。射流产生的涡主要分布于有序贴附区和无序爆炸区两个。有序贴附区可以观察到明显的对旋涡对,而无序爆炸区的涡则主要呈现无规则状态。此外,在这三种状态下均可发现液膜破碎形成液丝,液丝在气动力作用下收缩为圆形液滴以及液滴融合现象等。3、通过计算不同动量比(Momentum Ratio,MR)的两个影响因素——射流速度比及射流孔径比,得到在动量比等于一时形成中间薄边缘厚的液膜结构,其在表面张力作用下由内部出现破碎。在不同射流速度比中,MR≠1时,射流中游形成液膜及液柱结构,下游则形成头部液滴结构,且其内部伴有气泡产生,气泡由弹状逐步发展至细泡状,其射流截面形状可分为元宝形、弧形、豆瓣形及椭圆形四个阶段。在不同射流孔径比中,MR=2时,液膜尾部液滴向上翻卷,其他则与射流速度比基本一致。二者兼有的规律为液膜偏转角随动量比的增加逐渐增大,液膜长宽比随动量比的增大呈增长趋势。而液膜扩展角随MR的增长逐渐下降。撞击点附近的流体黏性系数下降幅度随MR增大逐步下降,下降最大幅度超过20%等。
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