随机模型与浸入边界法相结合的空气雾化流场数值模拟研究

Atomization affect directly the gas-liquid mixing, and play an important role on the high performance combustor. The air-blast atomization is often used in aero-engine and scramjet. However, because of the fast gas flow velocity and the dense liquid droplets clouds, it is difficult to observe and measure the atomization processes, the atomization mechanism is still unclear now. This project will focus on the air-blast atomization, research the gas-liquid flow field characteristics and atomization mechanism, develop a stochastic model coupled with Immersed Boundary Method, which contains: analyze and calculate gas-liquid interface and their interaction; research breakup and collisions of droplets; develop a numerical model for air-blast atomization; set up an experimental system to find the relations between the inlet conditions and the.spray angle, the length of liquid core, the distributions of the sizes and velocities of droplets. The purpose of this project is to find the atomization mechanism in air-blast atomization and develop a stochastic model combined with the Immersed Boundary Method, which will be then a theoretical and technical foundation for aero-engine and scramjet.

雾化效果直接影响气液掺混质量，是决定高性能燃烧室的关键。空气雾化喷嘴是航空燃气轮机和超燃冲压发动机燃烧室常采用的喷嘴。然而，由于空气雾化流场的高速湍流中影响和控制雾化的因素很多，雾化流场是瞬态密集型喷雾，不易观察和测量，雾化机理研究还很有限。本项目以空气雾化流场特性为研究对象，对气-液雾化流场特征及雾化机理进行基础科学研究，开发结合浸入边界法的随机模型。具体内容包括：理论分析与计算空气雾化流场中气液相界面存在形态和运动规律以及气液相间作用规律；研究空气雾化流场内液滴破碎机理、运动规律和液滴间的碰撞影响；研究气液多流场的计算模型；通过多组工况下空气雾化流场的实验测量，建立射流进口条件与喷雾张角、液核长度、液滴尺寸分布、液滴运动速度分布等雾化结构之间的规律。本项目旨在揭示空气雾化流场的雾化规律，建立结合浸入边界法的随机模型，为航空燃气轮机和超燃冲压发动机的设计研制奠定理论和技术基础。

空气雾化喷嘴是航空燃气轮机和超燃冲压发动机燃烧室常采用的喷嘴，其雾化流场是瞬态密集型喷雾，不易观察和测量，本项目研究了空气雾化流场气液相界面的形态和两相间的相互作用规律，建立并实现了用于模拟该雾化流场的结合浸入边界法的随机模型，并与实验结果对比证实该模型能够较为准确地描述雾化流场结构，包括液核表面形态、喷雾张角、液滴运动速度和粒径分布，为设计研制燃烧室奠定了理论和技术基础。此外，还搭建了射流雾化实验平台，研究了液体在静止空气中、均匀横向气流中，以及剪切和旋转两种非均匀横向气流场中的射流破碎现象，为下一步优化模型提供帮助。.在空气雾化器出口附近，我们认为流动是一种带有浸入式的湍流连接介质。该浸入体由破碎区域界定，并包含连续液相（液核）和分散液相（液丝、液片）。在浸入体中，假设液丝形成的频率和液片间碰撞的频率均远快于大湍流时间尺度，以及浸入体表面（液核表面）局部加速/减速由其界面上的值控制，气相由LES方程控制。因此，提出随机模型，分别对以下变量进行建模：（1）液体在喷嘴出口附近存在的概率；（2）与液核表面瞬时曲率相关联的界面外法向方向；（3）液核表面局部加速度的大小。通过与实验测量结果进行比较，验证了上述结合浸入法的随机模型。结果表明，在不同的入口条件下，距离喷嘴不同位置的中心平面上的雾化速度和液滴粒径（恒定动量比下的不同气体速度，以及不同的气液动量比）能够得到准确预测。（1）喷嘴附近的流动模拟清晰地显示了液核对周围气流的影响。作为拖曳气流的扑动区，液核前面有回流区，液核周围存在很强的速度梯度并且在液核之外的下游区域中存在大尺度的旋涡结构。（2）产生液滴的尺寸范围较大，从10μm到200μm，与喷嘴紧密相邻的区域主要由小尺寸的液滴组成。（3）随着气液动量比的增加，液核周围速度梯度减小，说明增大气液动量比导致气流阻力更强，气体和射流之间具有更强的动量交换，从而产生更强的雾化过程。（4）随着气液动量比的增加，初始喷射角由于液核平均长度的缩短而减小。