液滴撞击加热固体平壁变形过程的数值模拟

论文摘要

自由表面流动问题普遍存在于化工、冶金、航空航天、材料科学等领域中,其过程中自由表面的位置随着液体的运动而变化,而且自由界面的运动对系统的行为具有重要的影响。这些问题所固有的非线性变化加上在加热平壁上撞击过程中发生的相变使得问题处理起来非常困难,因此也成为流体动力学领域非常关注的问题。计算流体力学软件FLUENT中有三神通用的多相流计算模型:VOF模型、混合模型和欧拉模型。液滴等温撞击模型涉及液滴和空气两种流体,二者没有发生传质,且要求对液滴自由表面的运动进行重点考查,VOF模型是最合适的计算模型。Hirt和Nichols提出的VOF(volume of Fluid Method)方法,其基本思想是在整个流场中定义一个满足对流方程的流体体积函数。空单元时值为0;满单元时值为1;单元为界面单元时值介于0到1之间。对于液滴撞击等温水平壁面的情况,建立了理论模型,把液滴流动变形假设为轴对称,应用FLUENT软件中的VOF模型,对整个撞击后的变形过程进行数值模拟。将模拟结果与实验数据进行比较分析,验证其正确性。通过变换相关参数,分析了液滴在壁面上的流动状态,详细研究了包括计算网格、壁面特性、撞击速度、液滴的粘度、直径以及液滴的表面张力对变形过程的影响。对于液滴撞击加热水平壁面的情况,通过建立物理与数学模型,分析研究了壁面温度、液滴与环境温度、液滴撞击速度及直径大小对换热及蒸发过程的影响。结果表明:通过比较液滴撞击等温水平壁面的模拟结果与实验数据,尽管有误差存在,但VOF数值模拟方法,能够表现液滴铺展、回缩和反弹过程中的关键特征。壁面的可湿润性即壁面接触角对液滴的流动状态有很大的影响。在液滴的铺展阶段,壁面接触角越大,液滴的最大铺展直径越小,换热量小,液滴蒸发速率越小;撞击速度越大,液滴的铺展直径越大,铺展速度越快,换热量大,液滴蒸发速率越大;液滴的直径越大,铺展直径越大,变形过程越缓慢,换热量大,但液滴蒸发速率越小。在其他条件不变的情况下,液滴的表面张力系数越大,铺展直径的变化范围越小,铺展和回缩的时间也越短。而壁面温度和液滴及环境温度对液滴与壁面的换热也有不可忽略的影响。壁面温度越高,液滴与壁面换热量越大,液滴蒸发速率越大;液滴与环境温度越高,液滴与壁面换热量越小,液滴蒸发速率越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 自由表面流动问题的研究进展
• 1.2.1 自由表面流动问题的提出
• 1.2.2 自由表面流动问题的研究进展与现状
• 1.3 国内外关于液滴撞击加热平壁问题的研究进展
• 1.4 本文工作简介
• 2 液滴撞击的理论基础
• 2.1 物理模型描述
• 2.2 表面张力与无量纲数
• 2.3 体系的润湿性
• 2.3.1 Young方程
• 2.3.2 固体表面的湿润性
• 2.4 液滴变形过程分析
• 2.4.1 运动阶段
• 2.4.2 铺展阶段
• 2.4.3 松驰阶段
• 2.4.4 湿润阶段
• 2.5 液滴撞击过程中能量的耗散
• 3 液滴撞击固体平壁的数值模拟方法
• 3.1 引言
• 3.2 控制方程的建立
• 3.2.1 质量守恒方程
• 3.2.2 动量守恒方程
• 3.2.3 能量守恒方程
• 3.3 自由表面处理方法
• 3.3.1 VOF自由表面处理方法
• 3.3.2 VOF方法的界面重构技术
• 3.3.3 VOF方法的表面张力处理技术
• 3.4 液滴撞击固体平壁的有限体积法分析
• 3.4.1 基于有限体积法的控制方程离散
• 3.4.2 流场的数值求解
• 3.5 数值模拟中相关问题的处理
• 3.5.1 计算区域的离散
• 3.5.2 计算模型的选择
• 3.5.3 材料属性的设置
• 3.5.4 边界条件的设置
• 3.5.5 计算区域的初始化
• 3.5.6 计算收敛性和稳定性分析
• 4 液滴撞击等温平壁模拟结果与分析
• 4.1 液滴撞击等温水平固壁全过程的模拟结果
• 4.1.1 液滴撞击等温平壁的运动过程
• 4.1.2 液滴撞击等温平壁压力与速度的变化
• 4.2 数值计算结果与实验的对比
• 4.3 相关参数对计算结果的影响分析
• 4.3.1 计算网格的影响
• 4.3.2 接触角的影响
• 4.3.3 撞击速度的影响
• 4.3.4 液滴大小的影响
• 4.3.5 液滴物性的影响
• 4.3.6 表面张力系数的影响
• 5 液滴撞击加热平壁模拟结果与分析
• 5.1 液滴撞击加热平壁后温度场、压力场及速度场的分布
• 5.2 相关参数对模拟液滴撞击加热平壁的运动及传热影响分析
• 5.2.1 壁面温度的影响
• 5.2.2 液滴与环境温度的影响
• 5.2.3 接触角的影响
• 5.2.4 撞击速度的影响
• 5.2.5 液滴大小的影响
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢