飞溅现象和非牛顿流体二元液滴碰撞的数值仿真研究

The binary droplet collision is a critical and elementary phenomenon in the spray process, which influences the size distribution of the droplets in a spray. Investigations on this basic process contribute to a better understanding of the spray, and further lead to more precise numerical simulations of the entire spray process. Ultimately, this work plays an instrumental role in the continuous improvement of the spray equipment. This project investigates the spatter phenomenon resulting from high energetic binary droplet collisions of Newtonian fluids and the phenomenon of binary collisions of non-Newtonian droplets by means of direct numerical simulation. In case of the spatter phenomenon, the artificial perturbation, is to be minimized by means of using the state-of-the-art computational methods, and the collision process resulting from simulations shall be in better agreements with corresponding experimental data first. Then, the spatter phenomenon will be studied and theoretical model for the prediction of topological change in terms of the secondary droplets resulting from spatters will be proposed based on numerical experiments combined with the Plateau-Rayleigh instability theory. For the case of collisions of non-Newtonian droplets, constitutive model of shear-thinning fluid will be introduced in the numerical simulation. The influence of the shear-thinning effect on the collision process will be researched and predictive models for the topology change of the non-Newtonian drops will be established.

二元液滴碰撞影响喷雾中的粒径分布，是喷雾过程中一个关键的基本物理过程。研究二元液滴碰撞有助于理解喷雾过程，进而更准确的对喷雾进行仿真计算，最终达到改进喷雾设备性能的目标。本项目采用直接数值仿真法（Direct Numerical Simulation）研究牛顿流体液滴较高动能情况下碰撞导致的飞溅现象和非牛顿流体液滴间的二元碰撞现象。对于飞溅现象，针对之前研究中发现的数值仿真中存在较大数值干扰的问题，通过设计适当的计算方案减少数值干扰的影响，从而提高数值仿真结果与文献中相应实验的相符程度。在此基础上，进一步研究飞溅的物理过程，并基于数值仿真实验结合Plateau-Rayleigh不稳定性理论建立关于飞溅产生的次级小液滴的拓扑变化预测模型。对于非牛顿流体液滴间的二元碰撞，通过在仿真计算中引入描述非牛顿流体剪切变稀效应的本构模型，研究剪切变稀效应的影响，并建立拓扑变化的预测模型。

本项目针对工程喷雾中普遍存在的二元液滴碰撞现象，重点研究高动能碰撞导致的液滴飞溅，和具有剪切变稀特性液滴碰撞问题。主要研究目标在于厘清导致碰撞拓扑变化的影响因素，建立碰撞拓扑变化结果的预测模型。研究内容方面，我们首先在开源流体力学计算平台Basilisk上开发了一系列后处理程序接口，实现了项目后续开发，测试及仿真效率的大幅提升，并实现了树状数据结构的可视化。为实现二元液滴碰撞现象的仿真，设计开发了基于相的网格自适应准则，进而将计算表面张力的CSS法扩展到树状数据结构，并同时保持了CSS法的守恒性。应用此方法，对静止液滴，液滴正碰，多液滴与液面的碰撞进行了数值仿真，获得了与实验高度一致的数值仿真结果。为了给高效进行多相流相关数值仿真提供更多选择，我们将经典表面张力计算方法CSF法扩展到树状数据结构，并通过表面波以及液滴碰撞对算法进行了验证，同时基于轴对称网格带来的高解析度，我们捕捉了液滴碰撞融合体内容气膜的产生和发展过程。为进一步探索提高两相流数值仿真准确度的可能，我们开发了基于深度学习的曲率计算方法并通过Rayleigh-Taylor失稳等现象对该方法进行验证，该方法保持了曲率计算的对称性并大幅降低了对训练数据量的需求。为了实现飞溅现象的仿真，我们为三维网格和轴对称网格开发了液膜稳定算法，并基于轴对称网格对飞溅现象进行变参分析，建立了液滴融合体环状边缘几何参数与碰撞韦伯数之间的拟合关系。在此基础上应用Plateau-Rayleigh失稳机制建立了飞溅外圈小液滴个数上界和均值的预测模型并通过三维数值仿真对模型预测能力进行了验证。剪切变稀液滴碰撞方面，我们在Basilisk上实现了黄原胶液滴的本构模型，验证了模型效果，并对拉伸分裂和融合进行了数值仿真，提出了通过数值仿真绘制二元液滴碰撞结果分区图的一套方法。本研究的主要科学意义在于可以帮助进一步理解更大尺度上的喷雾现象，以及提升喷雾相关计算的准确度。