气液两相射流多模型流体和多尺度界面的模型和方法研究

Characteristic of two-phase jet flow is critical to a lot industrial processes. Our precedent researches indicate two-fluid model is inappropriate for two-phase jet flow because of the complex interface and violently changing flow regimes. By combination of experimental and numerical investigations, interface will be divided into multiple groups based on different scales, including dispersed interface and continuous interface of which the dispersed interface can be further divided into different scales according to the size of bubbles or droplets. Meanwhile, the two-phase flow will be artificially taken as continuous liquid, continuous gas, dispersed liquid and dispersed gas. Afterwards, the transformation rules and influencing factors among interface of different scales will be investigated, along with the interphase interaction terms among different artificial fluids. The corresponding models of transformation and interaction terms in the form of specific equations will be proposed. At last, the above models will be used with existing CFD software, and the other supplementary models including the population balance methods and turbulence models will be tried together to find the best combination. This research project can reveal the natural multi-scale characteristics and transformation rules of two-phase jet flow. By taking different solution models for the different scale interface and artificial fluids, the research can obviously reduce calculation efforts while reserving accuracy. This method proposed for two-phase jet flow is expected to be expanded to the simulation of general two-phase flow.

气液两相射流的特性对多种工业过程起决定作用。前期研究表明两相射流具有复杂的相界面，且流型变化剧烈，采用两流体模型的数值方法存在许多不足。本项目采用实验和数值计算相结合的方法将界面尺度划分为分散界面和连续界面两类，分散界面进一步划分为不同尺度的气泡和液滴；同时将两相流分为连续液相、连续气相、分散液相、分散气相四种模型流体。研究各尺度界面的相互转换规律及影响因素，以及模型流体间的相互作用，建立或完善相应的转换模型和相互作用模型。最后将以上模型与已有CFD方法结合，研究选择适用于两相射流数值计算的分散相群平衡方法、湍流模型等。本项目研究可揭示两相射流界面多尺度性以及不同尺度界面的相互转换特性，由于对不同尺度的界面和不同的模型流体采取不同的处理方式，可以减少计算量提高计算准确性，并有望推广到一般形式的气液两相流。

射流广泛出现在核反应堆被动冷却系统及液体燃料燃烧前的喷射雾化过程中，射流自身特性对反应堆的被动冷却效果及燃料燃烧性能都有至关重要的作用。考虑到采用试验的设计成本太高且获取数据太少，本项目研究气入液射流及液入气射流的准确而又快速的数值计算方法。本项目提出并研究多流体模型和多尺度界面的思路，将射流流场分为连续气相、连续液相、分散气相、分散液相四种模型流体，同时针对分散相根据液滴或气泡的速度、尺度进行进一步划分。项目采用实验和数值计算的方式，进行了空气射流入水的实验研究，研究结合采用高速相机的可视化方法和采用电导探针的直接测量方法，获得了气体射流形成气泡的规律及气泡大小及浓度在水中的分布规律，相关结果发表在《Experimental Thermal and Fluid Science》；作为气入液射流的代表，进行了空气入水的数值建模研究，将空气泡按照速度和大小分为若干个速度组和尺寸组，采用群平衡模型考虑气泡破裂融合，并针对不同分组使用不同的相间传递模型，实现了对该过程准确的数值计算，相关结果发表在《水动力学研究与进展》及 《Progress in Nuclear Energy》；作为液入气射流的代表，进行了水射流入空气的数值建模研究，将水分为连续液相和分散液相，分散液相的不同液滴大小转换采用改进的群平衡模型，同时建立了连续液相和分散液相的转换模型，并采用了恰当的连续液相和连续气相以及分散液相和连续气相的相间传递模型，形成了欧拉-欧拉-欧拉三流体模型，模型计算结果与实验符合良好，相关内容发表在《Applied Thermal Engineering》。在本项目的资助下本人还以第一或通讯作者在《International Journal of Heat and Mass Transfer》、《International Journal of Hydrogen Energy》、《Progress in Nuclear Energy》及《热能动力工程》等国内外高水平期刊上发表多篇论文，并获授权发明专利1项。项目结果为两相射流的研究提供了一种准确和高效的数值方法，同时该方法也可方便地使用在多种其他形式的具有复杂界面的两相流动传热过程中，从而为其研究或应用提供便利。