射流近場(chǎng)區(qū)域特征的三維直接數(shù)值模擬

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1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文射流近場(chǎng)區(qū)域特征的三維直接數(shù)值模擬3-DDirectNumericalSimulationofNearNozzleCharacteristicsinFuelJet學(xué)科專業(yè)：動(dòng)力工程研究生：焦道寬指導(dǎo)教師：杜青研究員企業(yè)教師：劉雙喜教授級(jí)高工天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2017年12月摘要燃油霧化狀況直接影響到其燃燒品質(zhì)及排放水平，從而對(duì)動(dòng)力機(jī)械的性能輸出具有至關(guān)重要的作用。然而對(duì)于噴霧破碎過程的影響因素的研究，特別是近場(chǎng)區(qū)域尚不透徹。燃油噴霧常發(fā)生在高溫高壓條件下，具有高雷諾數(shù)、高韋伯?dāng)?shù)等特

2、點(diǎn)。因此噴霧過程中的初次破碎及二次破碎受到湍流作用的直接影響。因此本文重點(diǎn)研究了在湍流作用下的牛頓流體以及冪率流體的射流演化過程。研究通過模擬單相的三維圓管湍流來表征噴嘴內(nèi)湍流的生成過程。當(dāng)此湍流充分發(fā)展時(shí)，經(jīng)過空間和時(shí)間的平均，將平均特性與現(xiàn)有文獻(xiàn)做對(duì)比驗(yàn)證。此后，將單相湍流的每一個(gè)時(shí)間步下的出口速度存入一個(gè)湍流數(shù)據(jù)庫(kù)。通過映射，在保持時(shí)間步長(zhǎng)一致的條件下，使得該湍流數(shù)據(jù)庫(kù)作為兩相射流的入口速度邊界。同理，二次破碎的湍流邊界也可由單相方管湍流流動(dòng)生成。射流過程是一種常見的兩相問題。研究使用DNS（直接

3、數(shù)值模擬）結(jié)合VOF方法追蹤氣液兩相界面。由于其成熟性，對(duì)研究射流過程中變形及破碎問題具有可靠性。研究發(fā)現(xiàn)隨著射流進(jìn)程，液柱表面開始波動(dòng)形成凸起，在湍流及氣液相互作用下，進(jìn)而拉伸剪切成各種液絲。液絲又進(jìn)一步破碎成各種形狀的液團(tuán)和液滴。與此同時(shí)，液絲在變形過程中，經(jīng)過剪切、拉伸、扭曲后形成了不同的破碎模式。較高的射流速度及射流背壓會(huì)促進(jìn)射流的破碎過程，對(duì)于牛頓流體或冪率流體都具有相同的特征。在本研究的條件下，剪切變稀流體更容易破碎，因而具有最好的破碎效果。然而剪切變稠流體隨著射流進(jìn)程，由于粘度較大，能量耗

4、散也較快，破碎效果不佳。從破碎模式來看，剪切變稀流體與牛頓流體有相似之處，但剪切變稀流體破碎更易更劇烈，尤其在射流的后期。當(dāng)液滴從液柱剝落時(shí)，射流將發(fā)生二次破碎。研究發(fā)現(xiàn)，除了液滴破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)，也應(yīng)該考慮臨界雷諾數(shù)的影響。與文獻(xiàn)中采用均勻流來研究液滴的破碎和變形不同，本文研究了液滴在弱湍流下的破碎特征。研究發(fā)現(xiàn)在弱湍流下液滴變形方向不固定不對(duì)稱。變形幅度不及相同平均速度下的均勻流。關(guān)鍵詞：直接數(shù)值模擬，射流，湍流作用，冪率特性，背壓IABSTRACTFragmentationofthefuelinj

5、ectiondirectlyaffectsthecombustionandemissionproperties,whichfurtherhasafundamentalinfluenceonengineperformance.However,theinfluencefactorsforthebreakupofthesprayprocess,especiallynearnozzlefields,arestillunclear.Generally,fuelinjectiontakesplaceunderahi

6、ghtemperatureandpressureconditionwithveryhighReynoldsnumberandWebernumber.Therefore,theprimaryandsecondarybreakupprocessesofthefuelspraysufferfromturbulenceeffect.TheevolutionaryprocessesoftheNewtonianandthepower-lawfuelsatomizationaffectedbyturbulencear

7、einvestigatedinpresentmodels.A3-Dsingle-phaseturbulentpipeflowisperformedfirsttopresentthein-nozzleflow.Whentheflowisfullydeveloped,aftertemporalandspatialaverage,theresultisvalidatedwiththeliterature.Then,theoutletvelocityateachtimestepisstoredtoatime-v

8、aryingvelocitydatabase.Bykeepingthetimestepconsistentwiththesingle-phaseflow,thedatabaseismappedasthefollowinginjectioninletvelocitiesboundary.Inthesameway,asingle-phasefullydevelopedchannelflowisgeneratedforthesecondarybr