气流作用下粘弹性液滴变形与破碎的特性和机理研究

Aero-breakup of liquid drop occurs in various technical process, environmental science and everyday life, such as coatings, internal-combustion engines (for land-based power production), injection of gelled hypergolic fuels (for aero-propulsion). For each of these applications to work.efficiently, a certain droplet size is indispensable. The necessity for drops of a certain size clearly demonstrates the need to determine the conditions which lead to drop breakup and, consequently, to eventual drop sizes. In this proposal, the deformation and breakup of viscoelastic drops are studied based on both experimental test and theoretical analysis. The breakup process, breakup mode and corresponding instability mechanisms are main concerned. The influence of various parameters, e.g. Weissenberg number, Weber number, Ohnesorge number, Reynolds number and Mach number, on the droplet breakup are examined comprehensively. The key parameters, which dominate the breakup mode of the droplet, are classified. The critical curves, which delineate each breakup mode in the parameter space, are also presented. Furthermore, the characteristics of viscoelastic droplet breakup caused by shock wave are also examined by numerical simulation methods.

液滴在运动气流中的变形和破碎问题在人们的日常生活和生产活动中广泛存在。液滴破碎过程对农林喷雾、工业生产中的表面喷涂以及内燃或火箭发动机中燃料的雾化与燃烧等均具有重要影响。本项目申请拟通过实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究粘弹性液滴在气流作用下的变形、破碎过程、主要破碎模态和相应破碎机理。分析各参数（如Weissenberg 数、Weber 数、雷诺数、马赫数等）对液滴变形、破碎过程和破碎模态的影响规律，着重分析液滴粘弹性效应的影响。确定影响粘弹性液滴破碎过程和破碎模态的关键控制参数，并在相应参数空间中给出粘弹性液滴的临界破碎曲线。在此基础上，采用实验和数值模拟相结合的方法，分析激波作用下粘弹性液滴的破碎规律及相应破碎机理。

本研究按照申请书计划进行，并在此基础上进行了适当的拓展。主要针对气-液自由面的动力学特性展开研究。.建立了基于Level-set + GFM方法的气-液两相流数值模拟方法，能够对气-液界面的运动与变形过程进行准确模拟。通过引入基于流失质量的界面修正速度，有效抑制了传统Level-set方法中的质量流失现象。通过构造气-液界面物理量的通用插值方法，有效实现了黏性流体、非牛顿（黏塑性、黏弹性）流体界面GFM的构造。在此基础上，结合块结构网格自适应技术，建立了基于多种物理量空间梯度的网格自适应加密判据，并通过使用Space-Filing Curve方法对不同空间计算区域进行逻辑分区，实现大规模并行负载均衡。.基于上述数值仿真平台，对激波与液柱/液滴相互作用过程中，液柱/液滴的气动破碎过程进行了数值仿真研究。结果发现，激波后高速气流引起的液柱/液滴气-液界面的失稳变形，主要是由迎风面高速气流剪切（K-H不稳定性）效应以及背风面流动分离产生涡脱落导致的气-液界面压力和切应力脉动引起。剪切稀化效应对液柱高剪切区界面演化有显著影响，可加强液柱高剪切区界面演化和附近气流的相互作用，导致液柱的最大铺展半径增大，进一步加快液柱高剪切区液体从液柱主体剥离的速率。对黏弹性液柱气动破碎过程的模拟结果显示，由于气液相互作用时间很短，若液柱的弹性效应较弱，黏弹性效应对液柱形状和质心位移的影响较小。当液柱的弹性效应较强时，黏弹性效应会导致液柱剪切拉伸区域缩小，在一定程度上延迟液柱的变形过程。.作为项目研究的拓展，在项目执行的后期，对具有相变的液膜流动问题（基底存在液-固相变）以及纳米流体介质液膜的流动问题进行了研究。结果显示，相变过程对液膜的长波扰动具有稳定效应，而液膜中纳米粒子的迁移运动对液膜的等效传热系数具有显著的影响。