基于tab模型的水滴變形與破碎的數(shù)值分析

《基于tab模型的水滴變形與破碎的數(shù)值分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、CSTAM2012-B03-0044基于TAB模型的水滴變形與破碎的數(shù)值分析王超，常士楠，趙媛媛，冷夢(mèng)堯中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心第七屆全國(guó)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議2012年11月12—14日廣西·桂林Copyright?2012版權(quán)所有中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)地址:北京市北四環(huán)西路15號(hào)郵政編碼:100190Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190第七屆全國(guó)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議CSTAM2012-B03-00442012年11月廣西·桂林基于TAB模型的水滴變形與破碎的數(shù)值分析王超，常士楠，趙媛媛，冷夢(mèng)堯（北京航空航天

2、大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院北京100191）摘要基于Tayloranalogybreakup(TAB)模型研究了過冷大水滴在與機(jī)翼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的變形與破碎行為，并對(duì)水滴的變形率和受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同尺度的水滴在破碎之前的變形率呈余弦狀波動(dòng)分布，越靠近機(jī)翼前緣變形率越大；尺度較小的水滴，變形率的波動(dòng)頻率較大；通過計(jì)算不同尺度的水滴變形過程中作用力的大小以及破碎位置發(fā)現(xiàn)，尺度較大的水滴的表面張力和內(nèi)部粘性力維持水滴形狀的能力相對(duì)較弱，表現(xiàn)出比較容易破碎的特點(diǎn)；相對(duì)于水滴的表面張力而言，粘性力對(duì)于抵抗水滴變形的能力較弱，可以忽略不計(jì)。水滴的變形和破碎是由于水滴在靠近機(jī)翼的運(yùn)

3、動(dòng)過程中其表面的空氣壓力和水滴與空氣之間的相對(duì)速度的不斷增大，使得作用在水滴表面的氣動(dòng)力不斷增大，從而導(dǎo)致水滴發(fā)生變形和破碎。關(guān)鍵詞TAB模型，過冷大水滴，氣動(dòng)力，變形率，水滴破碎等。因此，對(duì)于過冷大水滴的研究不同于小水引言滴，必須考慮水滴的變形、破碎等復(fù)雜情況。在高度低于1萬米的大氣中大量存在各種本文在文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值尺度的過冷水滴，由此帶來的飛行器表面過冷模擬的方法研究了機(jī)翼前緣處過冷大水滴的動(dòng)水滴撞擊結(jié)冰是一種常見的現(xiàn)象。在航空航天力學(xué)行為，為深入研究大水滴的撞擊結(jié)冰機(jī)理領(lǐng)域，它的危害非常嚴(yán)重，有時(shí)會(huì)造成無法估奠定基礎(chǔ)。[1]量的損失。通常，在飛機(jī)結(jié)冰研究領(lǐng)域，各

4、1數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法國(guó)研究人員多以粒徑小于50微米的小液滴為研究對(duì)象，考察其運(yùn)動(dòng)軌跡、撞擊特性和飛機(jī)表1.1模型結(jié)構(gòu)[2~4]面的結(jié)冰量和冰形，但所得的研究結(jié)果在某機(jī)翼模型選取文獻(xiàn)[10]中的DBKUP002翼些航空條件下尚不能反映飛機(jī)結(jié)冰的真實(shí)情型，如圖1所示。該翼型弦長(zhǎng)470mm，為便于況，其主要原因之一就是水滴粒徑的限定。上和該文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要采集水世紀(jì)90年代后期以來，國(guó)外逐漸出現(xiàn)了有關(guān)直滴運(yùn)動(dòng)到機(jī)翼駐點(diǎn)過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。徑大于50微米的過冷大水滴飛機(jī)結(jié)冰的研究報(bào)[5~9]道。過冷大水滴的動(dòng)力學(xué)行為與通常飛機(jī)結(jié)冰云中小于50微米的小水滴不同，其表面張力與空氣動(dòng)力學(xué)

5、壓力對(duì)抗以維持水滴形狀及完整性的主導(dǎo)作用減弱，與表面撞擊時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)時(shí)間以及在表面的殘留時(shí)間變長(zhǎng)，而且由于大圖1.DBKUP002機(jī)翼外形及數(shù)據(jù)采集域水滴對(duì)機(jī)翼周圍的流場(chǎng)產(chǎn)生影響，流場(chǎng)發(fā)生變1.2水滴運(yùn)動(dòng)方程化，這種變化又反過來作用于水滴。這些力的水滴在撞擊機(jī)翼的過程中受到的外力主要大小、維持時(shí)間可能足以使水滴產(chǎn)生變形甚至有氣動(dòng)阻力Fd、重力Fg和近壁面作用力Fw，破碎，從而導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度和軌跡發(fā)生變化，如圖2所示。水滴的作用力平衡方程在笛卡爾影響水滴的分布與表面撞擊的速度和方向等坐標(biāo)系下的形式為：1）基金資助項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11072019)2）Email：sn_c

6、hang@buaa.edu.cndudSphere?Fd?Fg?Fw(1)dt18?axCRe?Fd??()uaud(2)a224r?didxFgg?(??d-a)?d(3)P9?9?9?9?????Fw??d?11??d?Fd,,???d???d?Fdn?u16?16?8?8??(4)a??dy2??dd0Distorted上述各式中ua和ud分別表示空氣和水滴的圖3氣動(dòng)力作用下水滴的變形速度(m/s)，?a和?d分別表示空氣和水滴密度1.4水滴的破碎模型(kg/m3)，?a表示空氣動(dòng)力粘度(kg/(m·s))，d0[11]TAB模型是模擬液滴變形與破碎的經(jīng)典為水滴直徑(m)，yd

7、表示水滴與壁面的相對(duì)距方法，該方法源于在彈簧質(zhì)量系統(tǒng)與液滴振離(m)，F(xiàn)d,?和Fdn,分別表示氣動(dòng)阻力在切向和蕩、變形之間進(jìn)行的泰勒類比，認(rèn)為液滴的破法向方向上的分量(N·kg-1),如圖2所示，Re為碎是由于其表面不斷增大的波動(dòng)振幅。基于該相對(duì)雷諾數(shù)，表達(dá)式為：Re????duu(5)方法，作用在水滴表面上的力由氣動(dòng)力Fa、表aiadaen面張力F?和粘性力F?組成。TAB模型中水滴FdFdn,Fd,?的受力方程為：??yde?2dyPFw2?Fa?F